ŘÍZENÍ POHONŮ V REHABILITAČNÍ ROBOTICE
Bakalářská práce
Studijní program: B3944 – Biomedicínská technika Studijní obor: 3901R032 – Biomedicínská technika
Autor práce: Jan Morava
Vedoucí práce: prof. Ing. Aleš Richter, CSc.
Liberec 2014
DRIVE CONTROL IN REHABILITATION ROBOTIC
Bachelor thesis
Study programme: B3944 – Biomedical Technology Study branch: 3901R032 – Biomedical Technology
Author: Jan Morava
Supervisor: prof. Ing. Aleš Richter, CSc.
Liberec 2014
Poděkování:
Na tomto místě bych rád poděkoval prof. Ing. Aleši Richterovi, Csc. za jeho odborné vedení a pomoc při zpracovávání bakalářské práce. Mé poděkování patří také Ing.
Josefovi Černohorskému Ph.D. za pomoc při výzkumu, poskytnutí odborných rad a vstřícný přístup během zpracování práce.
Abstrakt:
MORAVA, JAN, Řízení pohonů v rehabilitační robotice, prof. Ing. Aleš Richter Csc., Liberec: Ústav zdravotnických studií, Technická univerzita v Liberci, 2014, 64 stran , 9 příloh, bakalářská práce.
Cílem této bakalářské práce je automatizace polohovatelného lůžka za účelem rehabilitace. Teoretická část práce se zabývá rešerší rehabilitační robotiky v
celosvětovém měřítku. V úvodu práce se seznamujeme se základními principy
rehabilitační robotiky, vyčleníme si základní skupiny robotických lékařských systémů a srovnáváme přístrojovou terapii s terapií manuální. Dále se zabýváme jednotlivými typy používaných pohonů a jejich řízením. V praktické části se již věnujeme automatizaci daného robotického zařízení. Uvádíme si základní popis konstrukce lůžka a všech jeho komponentů. Rozebíráme jednotlivé funkce lůžka vzhledem k onemocnění pacienta.
Pomocí imperativního programování je vytvořen program obsluhující logickou jednotku, pomocí které lze lůžko polohovat do několika základních poloh, ke kterým bylo zkonstruováno. Důležitou součástí programu je ovládání výkonu elektromotoru, které je závislé na váze rehabilitovaného pacienta.
Klíčová slova:
rehabilitační robotika, rehabilitace, automatizace, program, software, polohovatelné lůžko, elektromotor, programovatelná logická jednotka.
Abstract:
MORAVA, JAN, Drive control in rehabilitation robotic, prof. Ing. Aleš Richter Csc., Liberec: Institute of Health Studies, Technical university of Liberec, 2014, 64 p., 9 a., Bachelor Degree Thesis.
The goal of this bachelor thesis is the automatization of the positionable bed, which will be used for rehabilitation. The first part deals with rehabilitation robotics the whole world. At the beginning, we introduce the basic principles of rehabilitation robotic systems, dedicate basic groups of robotic systems and then we compare robotic therapy with manual therapy. We also deal with various types of actuators used in these systems and with controlling of these drives. The practical part is engaged in the robotic automatization. We mention a basic description of the construction of the bed and all of its components. We discuss various functions of the robotic bed with respect to the disease of the patient. By using imperative programming is created a program operating with the logical controller, that allows us to position the bed into several positions. An important part of the program is controlling the electric motor output, which depends on the weight of a rehabilitated patient.
Key words:
rehabilitations robotics, rehabilitation, automatization, program, software, positionable bed, electric motor, programmable logic controller
- 9 -
Obsah
1. Úvod ... 11
Teoretická část ... 12
2. Rehabilitační robotika ... 12
2.1. Počátky rehabilitační robotiky ... 12
2.2. Podstata rehabilitační robotiky ... 14
2.3. Druhy robotických lékařských systémů ... 15
2.4. Přístrojová rehabilitace ... 18
3. Řízení pohonů rehabilitačních přístrojů ... 21
3.1. Typy používaných pohonů ... 21
3.1.1. Elektrické pohony ... 21
3.1.1.1. DC motory ... 22
3.1.1.2. AC motory ... 23
3.1.1.3. Servomotory ... 23
3.1.1.4. Krokové motory ... 24
3.1.1.5. Lineární motory ... 24
3.1.2. Hydraulické a pneumatické pohony ... 25
3.2. Řízení elektromotorů ... 26
3.2.1. Řídící procesy ... 26
3.2.2. Programovatelný Logický Automat ... 26
Výzkumná část ... 29
4. Rehabilitační lůžko ... 29
4.1. Popis konstrukce lůžka ... 29
4.2. Pohyby lůžka ... 31
4.3. Rehabilitace pacienta ... 36
- 10 -
5. Řídící systém lůžka ... 38
5.1. Specifikace PLC a ovládacího modulu ... 38
5.2. Základní popis vývojového prostředí ... 38
5.3. Struktura projektu ... 40
5.3.1. Cvičení - HmotnostComp ... 42
5.3.2. Cvičení - Visual ... 43
5.3.3. Cvičení - Control ... 43
5.3.4. Rehabilitace - Control ... 45
5.4. Obsluha dotykového displeje ... 46
6. Závěr ... 49
Seznam zdrojů ... 51
Seznam obrázků ... 54
Seznam příloh ... 55
- 11 -
1. Úvod
Tématem bakalářské práce je řízení pohonů v rehabilitační robotice. Kořeny rehabilitační robotiky sahají někdy do 60.let 20. století, avšak až v posledních letech je tento obor vysoce na vzestupu, o čemž svědčí i pravidelné mezinárodní konference na toto téma. K aplikaci robotických zařízení jako terapeutických pomůcek se ve
zdravotnictví sahá čím dál více, což klade i zvýšené nároky na výzkum těchto přístrojů.
Největší pokroky zaznamenáváme především v terapii a rehabilitaci pacientů
s poruchou hybnosti, kde hraje také velkou roli menší časová náročnost přístrojových terapií. Využití robotických technologií jde ruku v ruce se zkvalitňováním a
zefektivňováním zdravotnické péče, doprovázeno menší finanční nákladností léčby. I proto se bez přístrojové techniky v současné době neobejde takřka žádné lékařské odvětví.
Prvotním cílem bakalářské práce je seznámení se se současným stavem rehabilitační robotiky. Další součástí práce je pak práce na řízení konkrétního
rehabilitačního lůžka určeného pro pacienty s poruchou pohybového aparátu. Vycházet budeme ze znalostí poruch pohybového aparátu a jejich rehabilitace, základních znalostí programování vhodného řídicího systému a znalostí principů řízení pohonů v uzavřené smyčce. Prvotním úkolem je seznámení se s vhodným řídicím systémem a stanovením vhodné konfigurace systému pro řízení lůžka. Následuje stanovení řídících algoritmů pro rehabilitaci pacienta na daném lůžku a demonstrace funkce. Výsledek zahrnuje návrh demonstračního programu a jeho experimentální ověření.
Bakalářská práce je rozdělena na teoreticko-metodologickou část a část aplikační. V teoreticko-metodologické části je zprvu věnována pozornost podstatě rehabilitační robotiky, principům základních robotických systémů a také srovnání robotické terapie s terapií manuální. Vysvětlen je zde princip a metody řízení
elektrických motorů u robotických zařízení užívaných v rehabilitaci. V aplikační části je kladena pozornost právě na dané rehabilitační zařízení (robotické lůžko) a jeho řízení. V úvodu je znázorněna a popsána konstrukce lůžka včetně rozmístění důležitých
komponent, popsány jsou hlavní funkce systému vzhledem k rehabilitaci pacienta.
Hlavní část práce se pak zabývá sestavením vhodného řídícího programu, který by měl být základem pro využití zařízení v klinické praxi.
- 12 -
2. Rehabilitační robotika
2.1. Počátky rehabilitační robotiky
Z počátku je třeba se zaměřit na předchůdce rehabilitačních robotů, kterými byly funkční protézy bez jakéhokoliv pohonu. Největší pokroky ve vývoji funkčních protéz sahají do dob Americké občanské války. Právě v důsledku války stoupl astronomicky počet amputací a Američani tak byli donuceni vstoupit na pole výzkumu protéz. Stejný dopad na protézy mělo i období po první světové válce, což vedlo až v roce 1917 k založení Americké ortopedické a protetické asociace ( AOPA) ve Washingtonu [2]. Po druhé světové válce kvůli stížnostem na nedostatek technologií uzavřela americká vláda smlouvu s vojenskými společnostmi, díky kterým tím otevřela cestu k vývoji a výrobě moderních protéz a dalších technologií na úkor zbraní.[3]
Počátky rehabilitačního inženýrství sahají do 60. let, kdy počínají vývojem poháněného robotického exoskeletu. Výzkum těchto zařízení začal ve Spojených státech a Jugoslávii, u každého s jiným cílem. Ve spojených státech se zaměřovali na vývoj technologií pro zlepšení schopností zdravých lidí, v souvislosti s vojenskou aplikací. V Jugoslávii se zase zaměřovali na zlepšení funkcí tělesně postižených jedinců. Obě země čelili při vývoji exoskeletu stejným výzvám, a to zlepšení rozhraní stroje a člověka. Exoskeletem se rozumí robotický pomocný mechanismus s klouby a linkami odpovídajícím lidskému tělu. Člověk, který ho má při vykonávání daného úkolu či pohybu na sobě ,,oblečený“, slouží jako poskytovatel řídících signálů a exoskelet pak jen poskytuje většinu ze síly potřebné k plnění úkolu. V roce 1965 americká vláda představila vynález Hardiman, což byl exoskelet umožňující nositeli uzvednout až 1500 liber (cca 680kg). V 80. letech američtí inženýři z Národní laboratoře v Los Alamos vyvinuli oblek snímající příkazy mozku, prostřednictvím senzorů v helmě. V té době se však takovýto výzkum musel potýkat s řadou omezení. Počítače nebyly dostatečně rychle schopné zpracovat kontrolní funkce a problémy byly i s dodávkou energie, která nebyla dostatečně kompaktní.[3]
Stejně tak, jako se v 60. letech minulého století začal rozvíjet vývoj exoskeletů, rozvíjel se i vývoj dalších technologií včetně robotických manipulátorů. První
sestrojený rehabilitační manipulátor byl v roce 1960 tzv. CASE manipulátor. Jednalo se
- 13 -
o napájenou ortézu se čtyřmi stupni volnosti, která mohla pohybovat pacientovou ochrnutou paží. Práce ve více specifických oblastech rehabilitační robotiky začala až v polovině 70.let. Jedním z prvních projektů byl ve Francii robot Spartacus, což byl manipulátor z jaderného průmyslu, jehož výzkumem následovalo zahájení dalších podobných experimentů, např. v Holandsku. Mezi další projekty patřila v Západním Německu zabudovaná pracovní stanice s otočnými regály s pěti stupni volnosti. V roce 1970 v USA se jednalo o první robotické rameno namontované na vozíku, jehož teleskopická konstrukce dovolovala dosáhnout podlahy i stropu. Všechny projekty a manipulátory byly doposud nemobilní, zabudované na jednom místě. Postupně začala vznikat řada výzkumných center zabývajících se vývojem rehabilitačních robotů. První roboty, které se začaly využívat při rehabilitaci pacientů, byly namontované na pracovní stanici a byly tedy nemobilní. Vzhledem k běžné dostupnosti se využívali běžně
dostupné průmyslové manipulátory, které nebyly původně určené k rehabilitaci pacienta. Později přišli vědci s atraktivní myšlenkou, což byla myšlenka mobilního robota. Původní myšlenky byly dvě. První byla autonomní mobilní robot, který by mohl volně potulovat po domě. Druhou byl manipulátor namontovaný na elektrickém vozíku a pohybující se s jeho uživatelem. Manipulátor Manus namontovaný na elektrický vozík je jedním nejúspěšnějších rehabilitačních robotů, komerčně se začal prodávat od roku 1990. S úplnou novinkou přišel na trh J.Hennequin, když představil svůj manipulátor poháněný pneumatickým pohonem. Ten si sklidil svůj úspěch především za jednoduchost a snadnou údržbu. [5]
V minulém století se kladl význam především na výzkum elektricky poháněných exoskeletů a protéz, a na pomocné mobilní roboty, které zastupovali některé funkce jejich uživatelů (např. podávání věcí). V posledních letech se však rehabilitační robotika začíná ve větší míře zaměřovat na terapii pacientů s pohybovým omezením v důsledku neurologické poruchy, jakou je například mrtvice či dětská obrna, a snaží se tak o návrat či zlepšení funkce svalu. Vyvíjí se řada nových technologií, u kterých se dbá jak na komfort pacienta, tak na efektivitu prováděné terapie. O důležitosti robotiky v rehabilitaci svědčí i fakt, že od roku 1989 se každé dva roky koná ve světových metropolích Mezinárodní konference o rehabilitační robotice. Poslední konference se konala v roce 2013 v americkém Seattlu.
- 14 -
2.2. Podstata rehabilitační robotiky
Robot je stroj schopný se přizpůsobit a jednat na základě jeho prostředí a rozšířit tím nebo nahradit některé lidské schopnosti. Skládá se z mechanické konstrukce
vyrobené z jednoho nebo více mechanismů, s určitým počtem motorizovaných stupňů volnosti (schopnost pohybu, translace, rotace v prostoru okolo své osy). Bývá také vybaven řadou senzorů, které mu poskytují informace jak o jeho vlastním stavu, tak o stavu prostředí, a umožňují mu tak správně plnit nadefinované úkoly. Robot vyžaduje dva druhy elektronických systémů: napájení systému řídícího pohony a snímače a systém, který zpracovává a interpretuje informace získané ze snímačů a podle nichž vytváří příkazy. Tyto dva systémy jsou samy řízeny jedním nebo více programy, které tak tvoří inteligenci robota. Robotické systémy využívané pro rehabilitaci se nazývají kooperativní, jelikož zde dochází k přímému kontaktu mezi robotem a člověkem.[1]
Využití robotické technologie zaznamenáváme ve všech lékařských oborech.
Nejrozsáhlejší využití je pak právě v rehabilitační robotice, která nám zahrnuje pomocné roboty, protézy, ortézy, terapeutické roboty a řadu dalších. Rehabilitační robotika je tedy pole výzkumu vycházející z poznatků mechatronických systémů a robotiky, kterých využívá při vývoji a aplikaci robotických zařízení v oboru rehabilitace. Cílem tohoto oboru je vývoj realizovatelných technologií zvyšujících výkonnost lidského těla či usnadňující aktivity každodenního života pacientů.
Rehabilitační inženýrství úzce souvisí s fyzikální terapií. Tři hlavní oblasti fyzikální terapie jsou kardiopulmonární, neurologická a muskuloskeletální. Kardiopulmonární terapie se zaměřuje na dýchací potíže a pacienty se srdečním traumatem. Oblast neurologické terapie si klade za cíl pomoci obnovit či zlepšit svalovou kontrolu u pacientů. V neposlední řadě řeší fyzikální terapie poruchy pohybového aparátu a pomáhá při posílení a obnovení funkčnosti svalových skupin a kostry [3]. Ačkoliv má rehabilitační robotika své zásadní místo ve všech třech oblastech terapie, tak nejvyšší pokrok a rozvoj je v posledních letech zaznamenáván v oblasti neurologické.
Na rozdíl od průmyslových robotů musejí být roboty rehabilitační nastavitelné a naprogramovatelné, jelikož můžou být využity z jiných důvodů, při léčbě jiných
onemocnění, léčbě jinak fyzicky zdatných pacientů, apod. Navrženi a aplikováni bývají vždy tak, aby byly schopny se přizpůsobit fyzickým schopnostem pacienta.
- 15 -
Rehabilitační robot by měl být schopen detekovat úmysl a podpořit pacienta v pohybu, neměl by svázat pacienta pouze k předdefinovanému pohybu. Svým způsobem by tak měl pacienta i motivovat k výkonu. I z důvodu zvýšení motivace pacienta se v posledních letech využívá zapojení virtuální reality. Za pomoci poutavé formy cvičení se zapojením virtuální reality se dají dobře a efektivně zlepšovat nácviky chůze, orientace v prostoru, koordinace pohybu a řady dalších. Tento typ cvičení poskytuje pacientovi výbornou zpětnou vazbu.
2.3. Druhy robotických lékařských systémů
Druhy vyvíjených robotických systému lze vyčlenit do několika hlavních skupin, kterými jsou asistenční roboty, protézy a ortézy končetin, roboty pro chirurgii a roboty pro fyzickou rehabilitaci.
Asistivní technologie - Jsou technologie, jejichž účelem je usnadnění života nemocným a handicapovaným lidem. Lidé využívající tyto technologie se mohou lépe zapojit do běžných denních činností, čímž se zvyšuje kvalita jejich života [11]. Mezi tento typ robotických zařízení lze zařadit různě vybavené elektrické invalidní vozíky, robotické skelety a řady dalších manipulátorů, které pacientům pomáhají s běžnými činnostmi jako je stravování, mytí, podávání předmětů, atd..
Ortézy - Ortézy jsou mechanismy používané k podpoře slabých či nefunkčních kloubů, svalů či celých končetin. Mnoho ortéz využívá robotické technologie a bere na sebe podobu exoskeletu, antropomorfního poháněného obleku (nebo jeho části) oblečené pacientem. Exoskelet poskytuje většinu vnější síly, potřebné k plnění úkolu. Člověk tedy slouží jako zdroj řídících signálů a na pohybu se podílí menší částí síly.
Protézy končetin - Protéza je mechanické zařízení, které nahrazuje chybějící část těla pacienta. Slouží především k návratu mobility a manipulačních schopností při ztrátě končetiny. Inteligentní protézy končetin propojují robotickou
technologii se svaly a nervy pacientovy končetiny [9]. V závislosti na typu
- 16 -
protézy bývají řízené elektrickými myopotenciály, snímanými příslušnými senzory ze svaloviny zbývající části končetiny.
Roboty pro chirurgii - Provedení takového zákroku zahrnuje tři subjekty:
chirurga, medium, pacienta. Medium je prostředek, díky kterému chirurg vidí, pracuje a komunikuje s pacientem. Chirurg tedy není u pacienta přímo přítomen.
Operaci tak řídí z místa prostřednictvím řídící konzole, kterou chirurg řídí minimálně tři robotické paže ( dvě ramena na manipulaci s chirurgickými nástroji a jedno kamerové rameno). Chirurg tak ovládá pozici robota pomocí dvou ''joysticků'' na řídící konzoly, kamerové rameno je řízeno hlasovými příkazy, přičemž pohled se mu vrací zpět do řídící konzole. Využívá se také zpětné vazby, kterou působí řídící rukojeti proti silovému působení chirurga, což odpovídá tlaku operovaných tkání na řízený chirurgický nástroj. Využití
robotických systémů nám dává záruku velké přesnosti při operaci a zamezení únavy chirurga či případného třesu rukou. [4]
Roboty pro rehabilitaci - Umožňují nám přesnější a konzistentnější terapii a to především ve cvičeních, kde se jedná o opakovaný kontinuální pohyb. Dovolují nám zavedení nových léčebných technik pro cvičení aktivní i pasivní. Dokážou shromažďovat údaje o pokroku či poklesu pacienta. Terapie za asistence robotů byla shledána jako efektivnější a méně finančně náročná. Tato léčba se jeví jako daleko efektivnější především u pacientů s neurologickými poruchami ( např.
mrtvice nebo poranění míchy). Pomocí robotů lze rehabilitovat téměř všechny tělesné partie. Robotů určených pro rehabilitaci je celá řada od řízených rotopedů po rehabilitační lůžka. I proto je lze rozdělit do několika dalších podskupin:
Rotační přístroje - Využívá se pro rehabilitaci horních i dolních končetin u řady neurologických poruch (mozková mrtvice, skleróza multiplex, svalová dystrofie, atd.). Lze provádět u sedících i ležících pacientů formou
kontinuálního pasivního či aktivního pohybu s nastavitelným odporem.
Moderní přístroje bývají schopny detekovat i malé zbytkové síly pacienta a nechají ho tak částečně aktivně posilovat. Stejně tak bývají vybaveny ochranou při vzniku spasmů, kdy v případě křečí dojde ke změně směru otáčení a uvolňování končetin Vývojem rotačních přístrojů se zabývá česká
- 17 -
firma Kalpe, specializující se na výzkum přístrojů Rotren a Motren určených pro rehabilitaci horních a dolních končetin. Mezi klasické rotační přístroje určené spíše ke kondičním cvičením pak lze zařadit rotopedy či spinningová kola.[12]
Motorové dlahy - Jsou přístroje, které lze využívat pro pasivní kontinuální pohybovou léčbu u špatně pohyblivých či ležících pacientů. Lze nastavovat menší kontinuální odpor, přičemž cvičení se stává lehce aktivní. Často se pak používá při rehabilitaci pro pacienty po zlomeninách či po různých
ortopedických operacích. Standardní jsou motodlahy pro léčbu kolenního a kyčelního, ramenního, loketního a hlezenního kloubu. Léčebná rehabilitace slouží především k zamezení poškození v důsledku imobilizace, včasnému obnovení nebolestivého pohybu kloubů (zvyšuje také kloubní mobilitu a rozsah kloubu) a urychlení průběhu terapie s dobrým funkčním výsledkem.
Mezi přední světové výrobce motodlah patří například francouzská firma Kinetec či německá společnost Artromot.[13]
Rehabilitační lůžka - Slouží k pasivní rehabilitaci ležících pacientů prostřednictvím speciálních lůžek zkonstruovaných k určeným pohybům (cvikům). Určené pro pacienty s neurologickými poruchami. Cílem je návrat funkce a posílení procvičované svalové partie pacienta, zvyšuje kloubní mobilitu. Pomocí základních cviků jako zvedání dolních končetin či zvedání trupu tak lze posilovat hlavní tělesné partie pacienta. Předním světovým výrobcem robotických lůžek je americká firma Hill-Rom. Z českých zástupců lze zmínit například firmu Linet nebo firmu Proma Reha.
Mezi další druhy využití robotických systémů ve zdravotnictví můžeme zařadit tréninkové robotické simulátory pro lékařské vzdělávání či robotické systémy pro neslyšící a nevidomé pacienty.
- 18 -
2.4. Přístrojová rehabilitace
Rehabilitace pomocí robotů se využívá u pacientů s poruchou hybnosti, zejména v důsledku cévní mozkové příhody - mrtvice, ale stejně tak může být aplikována na pacienty s mozkovou obrnou či po různých ortopedických operacích. V posledních letech proběhla řada studií zaměřujících se na různá postižení, především pak na cévní mozkovou příhodu, které porovnávaly rehabilitaci za pomoci robotických systémů a fyzikální terapii. Metody s robotickou terapií se ukázaly být daleko efektivnější a méně finančně i časově náročné, než manuální rehabilitace pouze za asistence terapeuta.
Přístrojovou rehabilitaci si lze vymezit na základě struktury prováděného pohybu či na základě zapojení pacienta při cvičícím procesu.
Vymezení z hlediska struktury pohybu [6]:
Cyklické pohyby - Jsou pohyby charakteristické opakováním svalové kontrakce stejného typu svalu za určitý časový interval. Jedná se o pohyby typu běh či plavání. Rozeznáváme u nich hlavní fázi a mezi fázi pohybu. Při přístrojové rehabilitaci se jedná většinou právě o cyklické pohyby. Probíhá za pomoci trenažerů (rotoped) či motorových dlah.
Acyklické pohyby - Jsou pohyby charakteristické posloupností většinou neopakujících se svalových kontrakcí různé intenzity. Jako příklad můžeme uvést hod nebo výmyk. Rozeznáváme u nich přípravnou fázi, hlavní fázi a závěrečnou fázi.
Komplexní (kombinované) pohyby - Jsou pohyby vznikající složením cyklického a acyklického pohybu do organického celku - jsou zapojovány všechny jeho složky. Například hod oštěpem - komplexní pohyby ramenního pletence jsou pohyby celého pletence, při kterých jsou zapojovány všechny jeho složky.
- 19 - Vymezení z hlediska zapojení pacienta:
Aktivní cvičení - Při aktivním cvičení se jedná o aktivní pohyby pacienta, kondiční cvičení, dechová rehabilitace, vertikalizace, nácvik chůze a řadu dalších. Pacient si cvičí sám s určitou částí těla. Tento druh rehabilitace je vhodný u pacientů s částečnou poruchou hybnosti nebo po operaci. Jsou vyvolány svalovou kontrakcí, na které se podílí řada svalů – jedná se tedy o volný pohyb [23]. Důležitým prvkem při aktivní rehabilitaci pacienta je motivace. Aktivní cvičení zlepšuje prokrvení svalů, metabolizmus, dechovou kapacitu, udržuje kloubní pohyblivost, svalový tonus, nespecificky zvětšuje svalovou sílu a také příznivě ovlivňuje psychiku [7]. Nejdostupnější formou je kondiční cvičení. Lze vymezit i další typy aktivního asistovaného cvičení, které vznikají na základě kombinace částečně aktivního pohybu pacienta za pomoci terapeuta nebo přístroje.
Aktivní odporová cvičení - Pacient vykonává pohyb proti působící síle.
Aktivním asistované cvičení - Pacient tlačí svou rukou po dráze bez jakékoliv protipůsobící síly.
Aktivní omezené cvičení - Aktivní pohyb pacienta po zadané dráze bez protipůsobící síly. Pokud se pacient dostane svou paží mimo dráhu, začne působit protipůsobící síla proti pacientově paži, která ho ''směřuje'' zpět do vytyčené dráhy.
Při aktivních asistovaných cvičeních se snažíme maximálně využít pohybových schopností, které má pacient zachovány. Cílem je dosáhnout co největší
soběstačnosti a nutit pacienta co nejvíce spolupracovat.[10,25]
Pasivní cvičení - Je cvičení bez zapojení aktivity pacienta, kdy za něho veškerý pohyb provádí zdravotnický pracovník nebo přístroj. Pasivního cvičení se využívá tam, kde chybí dostatečná svalová síla či je pohyb z důvodu
onemocnění či bolesti nemožný. Umožňuje udržení plného rozsahu pohybu v kloubech a pružnosti svalů a šlach. Provádí se pomalu, plynule a nesmí provokovat bolest, pohyb je plynulý a nastává ve stejném směru jako pohyb aktivní. Pasivní pohyby zlepšují trofiku svalů, propriorecepci, brání vzniku
- 20 -
trombóz a proleženin, ztuhnutí kloubů a posléze i snižují bolestivost při aktivním pohybu [8,22].
Robotická rehabilitace má řadu dalších pozitivních aspektů. Prvním důležitým aspektem je, že cvičící proces můžete opakovat a provádět tolikrát, kolikrát chcete, a nejste tak limitováni fyzickou vytrvalostí terapeuta a pacienta. Stejně tak je při manuálním cvičení pacient vystaven určitému psychickému napětí. Roboti zlepšují kvalitu pohybu a lze díky jejich využití zvýšit i intenzitu a opakování úkolu. Druhým pozitivem je důležitý fakt, že můžeme získat přesná data o pacientově zlepšení nebo poklesu, přesně tak sledovat a hodnotit jeho pokroky či poklesy, a na základě těchto informací pak volit další léčbu [1]. Tento typ rehabilitace dává terapeutovi daleko větší a rozmanitější možnost výběru cvičení s pacientem, kterých by za normálních okolností dosáhnout nešlo [4]. V neposlední řadě je velkou výhodou to, že při rehabilitaci není třeba takové fyzické námahy terapeuta, jako při terapii fyzikální. Avšak roboti jsou jenom přístroje, a nedovedou tak porozumět pacientovým potřebám. Je tedy nutné, aby u rehabilitace byla přítomna fyzická osoba - terapeut, která bude dbát u rehabilitace zvýšené opatrnosti, aby se například pacient svým pohybem nedostal mimo zařízení.
Průběh přístrojové rehabilitace lze rozdělit do několika fází:
příprava pacienta ke cvičení
instalace pacienta na přístroj
cvičení přístrojem
instalace pacienta z přístroje
následná úprava pacienta
Cvičení pacienta za pomocí přístrojů je časově o něco delší a pro personál náročnější na přípravu, jelikož zde musíme počítat s instalací pacienta na a z přístroje.
Opomenout nesmíme ani správné nastavení cvičícího procesu na přístroji. Avšak podle řady studií je robotická terapie účinnější než rehabilitace standardní. Na rozdíl od lidských terapeutů mohou totiž roboti s pacienty opakovat určitý úkon vždy stejným způsobem, přesně stejným pohybem, tudíž si mozek tento pohyb znovu zapamatuje.
- 21 -
3. Řízení pohonů rehabilitačních přístrojů
3.1. Typy používaných pohonů
3.1.1. Elektrické pohony
Elektromechanické pohony převádějí elektrickou energii na energii
mechanickou. Rozlišují se podle mechanismu převodu energie na elektromagnetické, elektrostatické a piezoelektrické. Rozdíly v elektrických motorech jsou hlavně v
konstrukci jejich rotoru a metodě generování magnetického pole. Využití elektromotorů zaznamenáváme především v konstrukcích robotů a manipulátorů střední nosnosti.
Výhodou je snadno dostupný zdroj energie, na kterém je však motor závislý, a jednoduchost jeho vedení k motoru. Menší rozměry motoru, nižší hlučnost a vyšší čistota provozu jsou také zásadní důvody aplikace elektromotorů právě v lékařských zařízeních [20]. Základní komponenty elektrického motoru jsou [14]:
Stator - Pevná část motoru, která generuje magnetické pole. To může být
zhotoveno z permanentního magnetu nebo měděného vinutí. Magnetické pole je vytvořeno s těmito magnety a měděným vinutím v motoru. Stator může být uvnitř nebo vně motoru.
Rotor - Je rotační část motoru nacházející se v dutině statoru. Záleží na
konstrukci, může být permanentní magnet nebo feromagnetické jádro s vinutím cívky. Vhodným působením magnetického pole statoru a rotoru vzniká točivý moment.
Kotva - Je vinutí rotoru, které nese proud a indikuje magnetické pole rotoru.
Vzduchová mezera - Malá mezera mezi rotorem a statorem. Dochází k interakci magnetického pole statoru a rotoru, což vytváří výstupní moment.
Sběrací kartáč - je součástí DC motoru, skrz kterou je proud dodán do armatury.
U synchronních AC motorů se to děje prostřednictvím sběracích kroužků.
Komutátor - Je součástí rotoru u DC motoru. Je v kontaktu se sběracími kartáči a slouží k usměrňování směru proudu kotvy.
- 22 -
Elektrické motory jsou řazeny do dvou hlavních typů na DC motory a AC motory. Kvůli průmyslovým požadavkům jsou zde také motory krokové, lineární motory a servomotory. Hlavně těchto pět hlavních typů elektrických motoru se využívá v rehabilitačních zařízeních.
3.1.1.1. DC motory
DC motor je elektrický motor, který převádí stejnosměrný proud elektrické energie na energii mechanickou. Rotační pohyby stejnosměrného motoru jsou hladké, přesné a silné. Rychlost motoru je přímo úměrná aplikovanému napětí. Výstupní moment motoru je přímo úměrný intenzitě proudu vinutí kotvy. Motor obsahuje elektrické a mechanické části. Nepohyblivou část tvoří stator a pohyblivou část rotor (kotva), který je od statoru oddělen vzduchovou mezerou. Stator je zpravidla tvořen permanentními magnety. Rotor má své vinutí, které je vyvedeno na komutátor.
Komutátoru se dotýkají kartáče, které zajišťují rotaci motoru změnami polarity vinutí kotvy Výkon stejnosměrného motoru lze plynule řídit změnou napájecího napětí.
DC motory jsou klasifikovány na základě přítomnosti sběracích kartáčů v jejich struktuře na kartáčové a bezkartáčové. Indukovaný proud je převáděn na kotvu dvěma způsoby: použitím kartáče a komutátoru nebo použitím elektrických obvodů.[16]
Obr. č. 1: Princip stejnosměrného kartáčového motoru [17].
- 23 -
U kartáčového DC motoru se jako zdroj magnetického pole uvnitř těla využívá permanentního magnetu a elektromagnetu. Permanentní magnet generuje hlavní magnetický indukční tok statoru a elektromagnet kotvy. Pohyb magnetického pole kotvy se získá přepínáním proudů, které tečou v jejím vinutí. Kartáče lze rozlišit podle polohy vzhledem k ose komutátoru.[14]
V bezkartáčovém stejnosměrném motoru rotační část tvoří permanentní magnet a stacionární část se skládá z miniaturních vinutí. Průtok proudu vinutím je kontrolován magnetickým nebo optickým senzorem. Tento typ elektromotoru vytváří vysoký točivý moment.[14]
DC motory se využívají často v rehabilitační robotice a to především v takových aplikacích, kde není vyžadována vysoká přesnost.
3.1.1.2. AC motory
AC motor je elektrický motor, který převádí elektrickou energii střídavého proudu na energii mechanickou. Rozlišují se dva základní typy těchto motorů: indukční motor a synchronní motor.
Indukční motor je preferovaný více než DC motor především kvůli jeho nízkým finančním nákladům a také požadavkům na údržbu. Základní části jsou stator, kotva, tělo, podpora a vrtule. Magnetické pole statoru indikuje proud do velkého množství vinutí kotvy. Kotva nepřipojuje žádný jiný zdroj energie. Rotační rychlost indukčního motoru je mírně měněna zátěží. Rychlost kotvy je vždy menší než rychlost
magnetického pole statoru právě kvůli zatížení motoru. Indukční motory jsou dále rozděleny na jednofázové a trojfázové podle počtu fází statoru.
Synchronní motor je elektromotor rotující konstantní rychlostí v závislosti na frekvenci a počtu pólů. Magnetické pole je generováno proudem vinutí kotvy. Toto magnetické pole je konstantní. Rychlost rotace pole a rychlost rotace kotvy jsou tedy v tomto typu motorů stejné. Tyto motory se využívají v aplikaci požadující vysokou sílu motoru.[15]
- 24 -
3.1.1.3. Servomotory
Servomotory jsou velmi efektivně využívány v rychlém a přemisťovacím řízení elektromechanických aplikací. Mají plynulý pohyb a využívají zpětné vazby signálů pro rychlost a kontrolu pohybu stroje. Díky kontroléru a zpětné vazbě tak lze nastavit přesný úhel natočení osy rotoru. Na rozdíl od krokových motorů, mohou být poháněny stejnosměrným i střídavým proudem (AC i DC). Konstrukce DC servomotoru je podobná konstrukci běžnému DC motoru. Hlavními vlastnostmi jsou: menší spotřeba energie, menší průměr motoru, výsledný točivý moment je úměrný průměru motoru, malé setrvačné momenty. DC servomotory se využívají v aplikacích, kde je požadována vyšší síla motoru. AC servomotory mají nevýhody jako nižší efektivitu, požadavky na střídavý zdroj, či ztráty energie (tepelné). Servomotory mají vzhledem ke zpracovávání signálů zpětné vazby extra hardwarové požadavky. Své využití v rehabilitační robotice si našly především díky velké přesnosti.[14,15]
3.1.1.4. Krokové motory
Krokový motor převádí elektrické impulsy na přiměřené mechanické pohyby.
Mohou být řízené počítačem nebo mikroprocesorem. Množství otáčení hřídele motoru je přímo úměrné počtu impulsů a rychlost motoru je přímo úměrná frekvenci těchto impulsů. Úhel rotace motoru pro jednotlivý impuls je pro krokový motor
charakteristickým znakem. Využívá se pro otevřené smyčky řídících systémů. Výsledný pohyb pro každý impuls je přesný a opakovatelný. Proto se používá pro zátěžové
polohovací systémy. Výhodou je, že tento typ motoru nevyžaduje zpětnou vazbu. Je také díky své jednoduché struktuře méně náročný na údržbu. Avšak pohyb motoru není spojitý, je náchylný na vibrace a výkon je méně silný než u jiných motorů. Při přetížení dochází k přehřívání motoru [14,24].
- 25 -
3.1.1.5. Lineární motory
Lineární motor vytváří pohyb v přímé linii na rozdíl od cirkulačního pohybu běžného elektromotoru. Převádí přímo elektrickou energii na lineární mechanický pohyb. Lze rozlišovat na mechanické, hydraulické a pneumatické, piezoelektrické, elektro-mechanické či teleskopické lineární pohony. V průmyslu se lineární motory využívají pro dlouhé vzdálenosti a vysokou citlivost. Rotor a stator tohoto typu motoru je ''rozvinutý'', takže neprodukuje točivý moment, nýbrž lineární sílu podél jeho délky.
Princip motoru je znázorněn na obrázku č.2. Rozlišujeme řadu konstrukcí, přičemž můžeme vymezit dvě hlavní skupiny: lineární motory s nízkým zrychlením a s vysokým zrychlením. S nízkým zrychlením jsou vhodné například pro vlaky maglev či jiné transportní prostředky. Vysokého zrychlení se využívá na krátké vzdálenosti pro vytvoření maximálního zrychlení. Typickým příkladem je například elektromagnetické dělo railgun. Složitost mechanického systému je výrazně snížena. I při vysokých rychlostech funguje naprosto přesně, reaguje rychleji než mechanický převod.
Nevýhodou tohoto motoru je, že je přímo závislý na jeho teplotě. [14,27]
3.1.2. Hydraulické a pneumatické pohony
Hydraulické pohony jsou konstruovány pro pohyb velkých zátěží. Využívají stlačenou kapalinu v trubkách a pístech, které jsou řízeny mechanickými nebo elektromechanickými ventily. Systém se skládá z tanku, čerpadla, regulátoru tlaku, ventilů a pístů. Čerpadla bývají zpravidla poháněna elektromotory. Hydraulické
Obr.č.2: Princip lineárního motoru [26].
- 26 -
systémy mají velkou nosnost, vlastní chlazení, hladké pohyby a rychlou reakční
schopnost, avšak jejich pořizovací cena je vysoká. Nejsou vhodné pro vysokorychlostní cyklické pohyby. V rehabilitační robotice se využívají jen minimálně.[14]
Pneumatické pohony jsou založeny na principu stlačeného plynu v pístech, které jsou řízeny mechanickými nebo elektromechanickými ventily. Skládají se z
kompresoru, klimatizační jednotky, nádrže pro skladování plynu, pístů a ventilů [14].
Princip pneumatických pohonů je tedy velmi podobný s tím u hydraulických pohonů.
Tento typ motorů je rychlý, levný a čistý. Na druhou stranu je zde obtížná regulace otáček a vypořádat se musíme také s hlučností při vypouštění plynu. Ovládání
pneumatických pohonů je velmi obtížné, tudíž jejich využití v rehabilitační robotice je značně omezeno.[27]
3.2. Řízení elektromotorů
3.2.1. Řídící procesy
Řízení je proces, při kterém je dané zařízení ovlivňováno řídícími signály pocházejícími z řídící jednotky. Tyto signály jsou jednosměrné a nejsou průběžně korigovány podle stavu řízeného procesu. Podle typu řídících signálů pak můžeme rozlišit i řídící proces na analogový (spojité funkce s časovým průběhem), binární (dvouhodnotové signály) a číslicově řízené procesy. U číslicového řízení jsou signály definovány pomocí čísel, jsou tedy ukládány a přenášeny v binárním kódu. K
nejdůležitějším prvkům patří dekodéry, mikroprocesory, číslicové paměti, atd.. Podle zpracování binárních kódů lze logické obvody rozdělit na sekvenční a kombinační. U kombinačních logických obvodů ( obvod bez paměti) jsou výstupy nezpožděnými logickými funkcemi okamžitých hodnot logických vstupů. Při sekvenčním řízení jsou výstupní signály generovány po krocích a nejsou závislé pouze na vstupech, ale i na předchozím stavu obvodu - na jeho paměti. V neposlední řadě rozlišujeme řídící
jednotky podle způsobu jejich naprogramování na programované propojováním ( bývají nastaveny vodivými spoji) a na systémy s programovou pamětí. Paměťové řídící systémy mají přepisovatelné elektronické paměti, které lze dále programovat. Řídící
- 27 -
program tak může být vytvořen například na PC a až následně přenesen do řídícího systému. Příkladem takovéto jednotky jsou Programovatelné Logické Automaty (PLC), které nám pak můžou sloužit právě k řízení elektrického motoru. Vyšší formy řízení programem, u kterých se obejdeme bez přímé asistence člověka, nazýváme
automatizace.[19,27]
3.2.2. Programovatelný Logický Automat
Programovatelný Logický Automat (PLC) je automat konstruovaný pro
průmyslové využití. Jeho použití je téměř neomezené a lze ho využít v každém odvětví.
Automat zpracovává vstupní signály ze snímačů a řídí tím akční členy pomocí signálů výstupních. Definice PLC dle normy IEC 1131-1 zní: Programovatelný automat je číslicově pracující elektronický systém konstruovaný pro použití v průmyslovém prostředí, využívající programovatelnou paměť pro interní ukládání uživatelsky orientovaných instrukcí pro provádění specifických funkcí (logických, sekvenčních, časovacích, čítacích, komunikačních, organizačních) za účelem řízení strojů či procesů, a to prostřednictvím digitálních nebo analogových vstupů a výstupů. Algoritmus řízení systému se tedy mění pouhou změnou programu uloženého v paměti automatu. S okolím komunikuje prostřednictvím sběrnic, u nejnovějších počítačů dominuje rozhraní USB. PLC můžeme rozdělit na tři základní funkční bloky: vstupní blok, centrální blok procesorové jednotky, výstupní blok.[18, 21]
Vstupní blok nám zajišťuje převzetí informací z řízeného do PLC. Obsahuje obvody pro oddělení signálu, filtry pro odstranění rušivého signálu, přizpůsobovací obvody, ochranné obvody. K převodu nejčastěji napěťového signálu na číslo dochází pomocí analogově číslicového převodníku.
Centrální procesorová jednotka obsahuje procesor a paměti (operační paměť a systémová paměť procesoru), přičemž procesor a paměti jsou propojovány systémovou sběrnicí. Paměti PLC jsou jako u jiných číslicových zařízení nebo počítačů ROM (Read Only Memory) a RAM Random Access Memory). Zatímco obsah prvního typu paměti je určen pouze pro čtení, druhy typ je určen pro opakovaný zápis a čtení paměťové buňky s libovolnou adresou.[20]
- 28 -
Výstupní blok je rozdělen do skupiny s kontaktními a bezkontaktními spínači výstupních signálů. Výstupní signály jsou určeny k ovládání akčních členů. Předání dvouhodnotových informací z PLC do řízeného procesu probíhá buď staticky a nebo jako sled impulsů o dané frekvenci. Součástí výstupu je také analogová veličina, která je výsledkem digitálně analogového převodu.
Prvním krokem při správné činnosti PLC je načtení stavu vstupních signálů ze vstupních modulů a jejich zapsání do paměti. Program pak vyhodnotí jednotlivé podmínky a na základě stavu vstupních, vnitřních a výstupních proměnných nastaví nové hodnoty výstupních proměnných (zapíše je do paměti výstupů). Podle hodnot, které se zapisují do paměti výstupů, se po ukončení programového běhu jednorázově nastaví výstupní moduly, které aktivují akční členy. V závěrečné fázi se vyhodnotí stavový soubor a nastaví se jeho aktualizované parametry. Vyřídí se komunikace s ostatními zařízeními na síti, obslouží se časová základna, atd.. PLC je tak připraveno na další periodický cyklus. Pokud je program rozsáhlý, trvá obnovení funkcí podstatně déle.[18]
Každý programovatelný automat obsahuje celou řadu příkazů. Ty obsahují jak binární funkce, tak i slovní a správcovské operace, regulační algoritmy či funkce pro rozhraní. Proměnné lze rozdělit do základních skupin: vstup (Input), výstup (Output), paměti (Memory), časovače (Timer), čítače (Counter). Při programování automatu se využívá softwarových pomůcek, uživatel zadává dříve popsaným způsobem svou danou úlohu logického řízení. Programovacích jazyků existuje taktéž celá řada a závisí tak především na technickém vybavení příslušného výrobce. Základními skupinami programovacích jazyků jsou textové jazyky (například strukturovaný text) a grafické jazyky (například příčkový diagram). Právě strukturovaného textu jsme využívali při programování ovládání řízení elektrického motoru, který je předmětem této práce.[18]
- 29 -
4. Rehabilitační lůžko
4.1. Popis konstrukce lůžka
Konstrukce robotického lůžka je přímo uzpůsobená k provádění rehabilitačních cvičení. Jedná se o typ lůžka NOVOS od společnosti LINET, zabývající se vývojem elektrických lůžek pro zdravotnictví (prospekt viz. příloha č.6). Základem lůžka je elektromotor od společnosti LINAK, který nám převádí rotační pohyb na lineární pohyby lůžka. Systém LINAK se skládá z kontrolboxu (tzv. srdce systému) a dvou aktuátorů se zvedacími sloupky. Rozložení konstrukce lůžka včetně základních rozměrů je znázorněno na obrázku č.2. Na obrázku jsou patrná i kotevní místa motorů se
zvedacími sloupky. Každý zvedací sloupek má na starosti jednu část lůžka. Aktuátor č.1 vykonává pohyby v pohyblivém kloubu lůžka č.3 a manipuluje tím s trupem pacienta.
Aktuátor č.2 určený k rehabilitaci dolních končetin zase pohybuje s kloubem č.4, čímž dochází i k pohybu v kloubu č.5. Jednotlivé parametry lůžka jsou na obrázku č.3 uvedené v centimetrech.
Na obrázku č.4 a obrázku č.5 jsou znázorněny příslušné rozměry konkrétních aktuátorů se zvedacími sloupky. Na obou náčrtcích jsou znázorněny rozměrů sloupků v klidové i maximální poloze. Parametry uvedené na obrázcích č.4 a č.5 jsou v
milimetrech.
Obr.č.3: Konstrukce lůžka v centimetrech (1,2 - zvedací sloupky; 3,4 - pohyblivé klouby řízené aktuátorem; 5 - pohyblivý kloub bez pohonu).
- 30 -
Obr.č.4: Rozměry a umístění zvedacího sloupku pro manipulaci s trupem pacienta (v milimetrech).
Obr.č.5: Rozměry a umístění zvedacího sloupku pro manipulaci s dolními končetinami pacienta (v milimetrech).
- 31 -
Obr.č.6: Rehabilitační pohyb lůžka - zvedání trupu pacienta.
4.2. Pohyby lůžka
Rehabilitační lůžko je charakteristické dvěma pohyblivými klouby s jedním stupněm volnosti. Pohyblivé klouby nám umožňují dva typy rehabilitačních cvičení, které lze vybrat s daným počtem opakování a danou délkou jednoho cviku na dotykovém displeji. Třetí typ pohybu postele je základní pohyb lůžka, při kterém nedochází k pohybu v kloubech a není určen k rehabilitaci pacienta.
První typ pohybu rehabilitačního lůžka je znázorněn na obr.6 (fotografie lůžka je v příloze č.8). Jedná se o cyklický a plynulý pohyb té části lůžka, na které leží trup pacienta. Jak je znázorněno na nákresu, lůžko při tomto cvičení svírá s horizontální osou úhel β v rozmezí 0o - 70o. Na dotykovém ovládacím displeji si však lze nadefinovat tento úhel menší než je úhel maximální. Lze si zvolit provádění pohybu do 25%, 50%, 75% či 100% z maximální hodnoty úhlu. Záleží na rozhodnutí terapeuta, který tak rozhodne na základě pohybových schopností pacienta a na základě jeho postižení.
U tohoto cvičení si lze navolit libovolný počet opakování, který na ovládacím zařízení zadá asistující osoba. Dále je potřeba na dotykovém displeji zvolit přibližnou hmotnost pacienta. Na jejím základě je pak kompenzován výkon elektromotoru.
- 32 -
Obr.č.7,8: Fotografie lůžka - zvedání trupu pacienta.
- 33 -
Obr.č.9: Rehabilitační pohyb lůžka - zvedání dolních končetin.
Druhým typem pohybu rehabilitačního lůžka je pohyb znázorněný na obr.9.
Jedná se o cyklický a plynulý pohyb dvou článků lůžka, na kterých jsou umístěny dolní končetiny pacienta. Jedná se tedy o rehabilitační pohyb dolních končetin v kolením a kyčelním kloubu. Jak je znázorněno na nákresu, pohyblivá část lůžka svírá pří tomto pohybu s vodorovnou osou úhel β o velikosti 0o - 55o. Na dotykovém ovládacím displeji si však lze nadefinovat tento úhel menší než je úhel maximální. Lze si zvolit provádění pohybu do 25%, 50%, 75% či 100% z maximální hodnoty úhlu. Délka pohybu tak záleží pouze na uvážení terapeuta.
U tohoto cvičení si také lze navolit libovolný počet opakování, který na ovládacím zařízení zadá asistující osoba. Dále, stejně jako o prvního cvičení, vybere asistující osoba na dotykovém displeji přibližnou hmotnost pacienta. Na jejím základě je pak kompenzován výkon elektromotoru.
- 34 -
Obr.č.10,11: Fotografie lůžka - zvedání dolních končetin.
- 35 -
Obr.č.12: Třetí pohyb lůžka sloužící k pohodlnější instalaci pacienta na a ze zařízení.
U třetího a zároveň posledního možného pohybu lůžka (obr.12) se jedná o základní pohyb celého rehabilitačního lůžka po vertikální ose nahoru a dolů v rozmezí X - Y metrů nad zemí. Všechny tři části rehabilitačního lůžka leží ve vodorovné poloze, nedochází tedy k pohybu v otočných kloubech. Tento pohyb rehabilitačního lůžka je určen pouze pro pohodlnější instalaci pacienta na zařízení a ze zařízení po rehabilitaci. Náhled lůžka v klidové poloze je k dispozici na obr.č.13.
Pohyb je určen pro jednorázovou akci při manipulaci s pacientem, nelze zvolit další opakování jako tomu je u dalších pohybů lůžka sloužících k rehabilitaci.
Nevztahuje se zde kompenzace výkonu elektromotoru vzhledem k váze pacienta, jako je tomu v dalších případech.
Obr.č.13: Fotografie lůžka - klidová poloha.
- 36 -
4.3. Rehabilitace pacienta
Rehabilitační lůžko je robotické zdravotnické zařízení určené pro využití v rehabilitaci pacientů. Kovová konstrukce lůžka je speciálně uzpůsobená pro daná rehabilitační cvičení. Celé lůžko poháněné elektromotorem je ovládané prostřednictvím dotykového displeje. Po instalaci pacienta na zařízení zvolí obsluha na ovládacím panelu typ cvičení, délku prováděného cviku, počet opakování a hmotnost pacienta.
Funkcím volitelným na dotykovém displeji se budeme věnovat podrobněji v dalších kapitolách.
Lůžko je určené pro pasivní rehabilitaci ležícího pacienta, což znamená, že pacient nevyvíjí takřka žádnou vlastní sílu. Sílu potřebnou k provedení vybraného cvičení vyvíjí za pacienta rehabilitační zařízení. Rehabilitační pohyby, které s pacientem lůžko vykonává, jsou kontinuální, plynulé a cyklické v závislosti na zvoleném počtu opakování. Podle vybraného cvičení lze rehabilitovat buď dolní končetiny nebo trup pacienta. Při cvičení dolních končetin dochází k flexi a extenzi kolenního a kyčelního kloubu v rozsahu zvoleném obsluhou. Pokud zvolíme rehabilitaci trupu pacienta, dochází k anteflexi a retroflexi páteře především v bederní části.
Zařízení je určené pro pacienty s poruchou mobility, kterým chybí dostatečná fyzická síla a nebo je pohyb kvůli bolesti či onemocnění nemožný. Jedná se především o ležící pacienty s postižením v důsledku cévní mozkové příhody nebo v důsledku mozkové obrny. Terapii lze využít i na pacienty po ortopedických operacích dolních končetin (kolenního a kyčelního kloubu) nebo bederní páteře.
Tento typ rehabilitačního cvičení lze využívat v počátečním stadiu rehabilitace.
Hlavním cílem je navrácení či udržení plného rozsahu v daných kloubech (kyčelní kloub, kolenní kloub, bederní páteř) a navrácení pružnosti svalů a šlach procvičovaných partií. Dochází také ke zlepšování trofiky a propriorecepce zapojovaných svalových partií. U pacienta tedy nehrozí ztuhnutí kloubů ani vznik proleženin či trombóz.
Výhodou rehabilitace je, že nejsme limitováni fyzickou vytrvalostí terapeuta a cvičení tak můžeme provádět podle předem stanovených požadavků až do konce se stejnou efektivitou. Práce terapeuta spočívá především v instalaci pacienta na a ze zařízení a před úvodem cvičení také v obsluze řídícího panelu. Ač je následná rehabilitace prováděna bez účasti terapeuta, tak je nezbytné aby byl rehabilitační asistent při
- 37 -
průběhu cvičení přítomen. Může se například stát, že se pacient dostane mimo zařízení a rehabilitace tak bude muset být přerušena.
Pokud nebudeme provádět rehabilitační cvičení, je třeba zmínit i druhou rehabilitační funkci, kterou lůžko má. A to je průběžné polohování dolních končetin a trupu za určitou jednotku času. Jedná se o změny polohy lůžka z dané pozice o několik milimetrů či centimetrů za dobu v rozmezí 30 - 60 minut. Směr změny polohy se pravidelně střídá. Tato funkce by měla zamezit stimulaci stále stejných tělesných partií pacienta a zabránit i vzniku proleženin. I jen minimálním posunem lůžka a tím dané tělesné partie pacienta docílíme stimulaci jiných nervových zakončení.
- 38 -
5. Řídící systém lůžka
5.1. Specifikace PLC a ovládacího modulu
Základní logickou jednotkou řízení lůžka je PLC X20BC0083 se sběrnicí POWERLINK (V1/V2) a přenosovou rychlostí 100 Mbit/s od společnosti B&R Automation.
Ovládacím modulem je výkonný panel 4PP065.0351-P74 s barevným TFT displejem s dotykovou rezistivní obrazovkou od téže společnosti. Rozlišení QVGA obrazovky je 240 x 320 pixelů. Na panelu se dále nachází 30 funkčních kláves.
Dynamická paměť DRAM modulu je 120MB, statická paměť SRAM 232 kB. Pro připojení sběrnice se zde nachází sloty 2x USB 2.0, 1x Ethernet, 1x CompactFlash a 1x POWERLINK. Úhlopříčka dotykové obrazovky je 3,5''. Náhled řídícího modulu je na obrázku č. 14.
5.2. Základní popis vývojového prostředí
Programování logické jednotky probíhalo v integrovaném vývojovém prostředí Automation Studio od společnosti B&R Automation. Automation Studio obsahuje nástroje pro všechny fáze projektu: řízení pohonu, vizualizace, komunikace. Vše lze nakonfigurovat do jednoho prostředí. Projekt je rozdělen do funkčních balíčků, které
Obr.č.14: Ovládací modul s dotykovou obrazovkou.
- 39 -
pak mohou být přehledně spravovány. K programovaným a konfigurovaným částem zařízení pak může být přiřazena různá hardwarová konfigurace. Při programování a psaní řídících algoritmů si lze při zakládání projektu zvolit typ programovacího jazyka (C++, ANSI C, Ladder Diagram, Strukturovaný Text, atd.), který budeme používat.
Všechny jazyky využívají stejné knihovny a proměnné. Pro tvorbu našeho projektu jsme zvolili programovací jazyk Strukturovaný Text. Dalším důležitým nástrojem, který jsme využívali při tvorbě vzhledu displeje, je integrovaná vizualizace.
Automation Studio je rozděleno do třech funkčních celků, jak je patrné na obrázku č.15. Prvním z nich je Logical View, který obsahuje deklaraci proměnných a i samostaný program. Mimo to lze obsahuje také vizualizaci, v našem případě vizuální stránku touch screenu. Druhou záložkou je Configuration View. Zde lze nastavit danou hardwarovou konfiguraci, pro kterou je zařízení vyvíjeno. Lze nastavit více konfigurací, avšak aktivní může být pouze jedna. Posledním celkem je Physical View, který
zobrazuje hardwarovou stránku našeho zařízení (závisí na zvolené aktivní HW konfiguraci).
V prvním celku Logical View je projekt přehledně rozdělený do několika balíčků, jak bude uvedeno v další kapitole. Každá část projektu (HmotnostComp, Visual, Control) obsahuje nadefinované lokální proměnné, konstanty a také samotný program - zdrojový kód. Vše je zase rozděleno do dalších složek. Dále jsou zde obsaženy složky z deklarovanými globálními proměnnými (Global.var/Global.typ) a nástroj na správu vizualizace (Visu).
Obr.č.15: Uspořádání projektu v Automation Studiu.
- 40 -
5.3. Struktura projektu
V následující kapitole se budeme zabývat strukturou projektu, která bude znázorněna prostřednictvím vývojových diagramů. Struktura celého projektu je
znázorněna na obrázku č.16. Na samém počátku je obsluha zařízení, která si vybere, zda chce s pacientem vykonávat rehabilitační cvičení (Cvičení) a nebo jestli zařízení bude vykonávat typ pohybu pod názvem Rehabilitace. Práce je zaměřená na tu první cestu, na rehabilitační cvičení, ale je třeba zmínit i druhou funkci, které rehabilitační lůžko má.
Pod názvem Rehabilitace se skrývá cyklické polohování lůžka (v řádu mm, cm) za čas, který je v programu nadefinovaný na 0,5 s. Uživatel si na ovládacím zařízení zadá pouze typ pohybu a počet opakování. Vybraný pohyb je poté cyklicky prováděn z libovolné pozice lůžka každou hodinu o délku v řádu jednotek až desítek milimetrů.
Pohyb není prováděn ve stejném směru, ale pravidelně se směr osy pohybu střídá. Poté, co si uživatel zvolí a spustí tuto rehabilitaci, dochází k cyklickému procesu Control, který provádí počet zadaných opakování. Podrobněji se programu Control budeme věnovat v další části práce. Toto polohování slouží u ležících pacientů, aby nedocházelo k proleženinám a k nervové stimulaci stále stejných tělesných partií.
Pokud si obsluha vybere rehabilitační Cvičení, na dotykové obrazovce nejdříve zvolí hmotnost pacienta (HmotnostComp) a poté i jednotlivé vlastnosti daného cvičení (Visual) jako je typ cviku, počet opakování a délka jednoho cviku. Následuje spuštění rehabilitačního cvičení prostřednictvím příslušného tlačítka. Odstartováním cvičení přejímá funkci podprogram Control, který má na starosti provádění samotného cvičení v závislosti na předchozím stavu podprogramů HmostnostComp a Visual. V Controlu se tedy vykonává vybraný typ a délka cvičení, na které se vztahují i časové hmotností kompenzace. Počet opakování cyklu je daný zvoleným počtem opakování. Na konci každého Control cyklu dochází ke kontrole, jestli již byl počet opakování splněn. Pokud ano, lůžko je uvedeno do výchozí polohy a cvičení je považováno za ukončené. Pokud ne, cyklus se opakuje. Samotným procesů se budeme věnovat v dalších kapitolách.
- 41 -
Obr.č.16: Vývojový diagram celého projektu.
- 42 -
5.3.1. Cvičení - HmotnostComp
Při volbě hmotnosti pacienta vybere obsluha na displeji pacientovu přibližnou hmotnost zaokrouhlenou na desítky kilogramů. Po výběru hmotnosti dochází k přepočtu a po výběru cviku i aplikaci kompenzačních časů na daný typ cvičení. Kompenzační časy byly k jednotlivým cvikům a hmotnostem zjištěny měřením.
Na začátku programu jsou definovány kompenzační časy na 10kg pacienta pro všechny prováděné cviky v obou směrech. Čili při pohybu nahoru je čas přičítán, při pohybu dolů je čas odečítán. Výběr pacientovi váhy probíhá pomocí podmínky if. Po vybrání dané hmotnosti jsou kompenzovány všechny možné cviky, které lze vybrat.
Hodnota kompenzace času je dána násobkem časové konstanty na 10kg a konstanty přidělené vybrané hmotnosti. Náhled části programu je v příloze č.1.
Obr.č.17: Program HmotnostComp sloužící ke kompenzaci hmotnosti pacienta na lůžku.
- 43 -
5.3.2. Cvičení - Visual
Program Visual reaguje na požadavky displeje pomocí jednoduchého větvení case. Příkazem case je vybrán jeden z několika dílčích příkazů, v tomto případě jeden ze dvanácti možných cvičení, přičemž jednotlivým cvičením jsou přiděleny indexy 1- 12. Poté, co v reakci na touch screen vybere příkaz case daný index, aktivuje se tím dané cvičení. Náhled zdrojového kódu je k dispozici v příloze č.2.
5.3.3. Cvičení - Control
V části Control se odehrává již samostatný pohyb vybrané části lůžka dle parametrů stanovených v předchozí části. Cyklický program se skládá z několika na sebe navazujících očíslovaných akcí a podmínek. Průběh celého procesu je pak znázorněn na obrázku č.18. Náhled zdrojového kódu je v příloze č.3.
V první akci probíhá výběr časovače dle vybraného typu cviku a uvedení do aktivní polohy. Následuje akce 20, kde dochází ke spuštění motorů podle požadavků z předchozí akce. Další je podmínka 30, kde, pokud je cvik dokončen, dochází k vypnutí motorů a zaktivování časovače výdrže. Po dokončení výdrže v nové poloze (31) následuje v další akci přiřazení časovače podle vybraného typu cviku, stejně jako tomu bylo v první části programu (předtím UP, nyní DOWN). Dalším krokem je zapnutí motorů a uvedení dané části lůžka do výchozí neutrální polohy (50). Pokud je cvik dokončen a lůžko se nachází v neutrální poloze, dochází k vypnutí motorů a navýšení počítadla cviků. Na konci poslední akce (60) je odkázáno zpět na začátek programu do první akce (10). V poslední akci je také definována funkce tlačítka StopReq, kterou se cvičení zastaví. Dojde k přerušení automatického režimu a aktivaci režimu manuálního.
- 44 -
Obr.č.18: Struktura řídícího programu Control.
- 45 -
5.3.4. Rehabilitace - Control
Funkce programu Control při volbě Rehabilitace je prakticky stejná jako u Cvičení. Dochází zde také z ovládání elektromotoru a tím řízení polohy vybrané části lůžka. Program se skládá z několika navazujících akcí, jejichž návaznost je patrná z obrázku č.19. Náhled zdrojového kódu je opět k dispozici v příloze č.4.
V první akci dochází k vynulování čítače a odkázání na další akci, ve které dojde ke startu motorů a aktivaci provedení daného polohování. Po dokončení polohování dojde k ukončení pohybu a vypnutí motorů. Začne časování výdrže. Po vypršení časování výdrže následuje návrat do první akce a je prováděno nové polohování opačným směrem. Tento cyklus trvá až do vypršení časovače.
Obr.č.19: Průběh programu Control při volbě rehabilitace.
- 46 -
Obr.č.20: Náhled úvodní obrazovky ovládacího panelu.
5.4. Obsluha dotykového displeje
V následující kapitole se budeme zabývat popisem ovládacího panelu - dotykového displeje. Základem je úvodní obrazovka, na které obsluha vybere typ a délku prováděného cviku. Seznam se otevře po označení rolovací lišty (scrollbaru) v kolonce ''Cvičení''. Intenzitu rehabilitace zadá obsluha o řádek níže do textového pole v kolonce ''Počet opakování''. K zadání počtu opakování poslouží uživateli numerická klávesnice, která se zobrazí při označení pole pro zadání číselné hodnoty. Počet opakování a počet dokončených cviků se pro kontrolu zobrazuje ve spodní části obrazovky v označených textových polích. Jednotlivé pohyby lůžka lze ovládat i manuálně a to dlouhým stiskem (držením) jednoho ze čtyř tomu příslušných tlačítek v levé horní části displeje. Při volbě ''Hmotnost pacienta'' se zobrazí druhá obrazovka, kde obsluha vybere přibližnou váhu pacienta stisknutím jednoho z osmi tlačítek. Zvolená hmotnost se pro kontrolu zobrazí v kolonce ''zvolená hmotnost''. K návratu na úvodní obrazovku slouží tlačítko ''zpět'' umístěné v pravém dolním rohu druhé obrazovky. Pro začátek rehabilitace stiskne uživatel tlačítko ''Cvičení Start''. Cvičení se pak provádí až do zadaného počtu opakování, popřípadě do přerušení rehabilitace obsluhou. K
urychlenému přerušení rehabilitace slouží zvýrazněné tlačítko ''Stop''. Všechny funkce dotykové obrazovky tedy lze ovládat krátkým dotykem prstu.
- 47 -
Obr.č.21: Výběr prováděného cviku a jeho délky.
1) Úvodní obrazovka - Úvodní obrazovka ovládacího zařízení, prostřednictvím které obsluha zvolí a kontroluje rehabilitační cvičení pacienta.
2) Trup nahoru - Manuální ovládání. Dlouhým stiskem (držením) tlačítka lze zvedat horní trup pacienta až do maximální polohy, kterou lůžko dovoluje.
3) Trup dolů - Manuální ovládání. Dlouhým stiskem (držením) tlačítka lze pomalu pokládat trup pacienta až do vodorovné polohy lůžka.
4) Nohy dolů - Manuální ovládání. Dlouhým stiskem (držením) tlačítka lze pomalu pokládat dolní končetiny pacienta až do vodorovné polohy lůžka.
5) Nohy nahoru - Manuální ovládání. Dlouhým stiskem (držením) tlačítka lze zvedat dolní končetiny pacienta až do maximální polohy, kterou lůžko dovoluje.
6) Cvičení - Po rozkliknutí lze za pomoci rolovací lišty (scrollbaru) vybrat typ a délku požadovaného cviku (viz. obr.21).
7) Počet opakování - Zde obsluha zařízení zadává počet opakování daného cviku.
Kliknutím do textového pole se zobrazí numerická klávesnice, na které lze zadat požadovanou hodnotu.
8) Dokončených cviků - V textovém poli se v průběhu rehabilitace zobrazuje počet cviků zbývajících ke splnění zvoleného počtu opakování.
9) Rehabilitace - Textové pole, ve kterém se nám ukazuje, jestli rehabilitace probíhá nebo ne (''Cvičení zapnuto'' / ''Cvičení vypnuto'').
10) Cvičení Start - Tlačítko slouží k zahájení zvoleného cvičení.
11) Rehabilitace - Slouží k zapnutí akce Rehabilitace, jak bylo zmíněno v předchozí kapitole.
12) Cvičení Stop - Tlačítko slouží k urychlenému přerušení probíhající rehabilitace.
Poté lze pokračovat ve cvičení stisknutím tlačítka ''Cvičení Start''.
- 48 -
Obr.č.22: Náhled druhé obrazovky s volbou hmotnosti pacienta.
13) Stop - Má stejnou funkci jako tlačítko ''Cvičení Stop''. Slouží k urychlenému přerušení probíhající rehabilitace. Poté lze pokračovat ve cvičení stisknutím tlačítka ''Cvičení Start''.
14) Hmotnost pacienta - Prostřednictvím tohoto tlačítka lze přejít na druhou obrazovku, na které obsluha zadá přibližnou hmotnost pacienta.
15) Druhá obrazovka - Druhá stránka obrazovky dotykového displeje, která slouží k zadání přibližné hmotnosti pacienta.
16) Volba hmotnosti pacienta - Obsluha zvolí přibližnou hmotnost pacienta zaokrouhlenou na desítky kilogramů.
17) Volba hmotnosti pacienta - Obsluha zvolí přibližnou hmotnost pacienta zaokrouhlenou na desítky kilogramů.
18) Zvolená hmotnost - Textové pole,ve kterém se pro kontrolu zobrazí obsluhou zvolená přibližná hmotnost pacienta.
19) Zpět - Slouží k návratu na úvodní obrazovku.
