Využití senzitivních robotů pro rehabilitaci Bakalářská práce

Využití senzitivních robotů pro rehabilitaci

Bakalářská práce

Studijní program: B2612 Elektrotechnika a informatika Studijní obor: Elektronické informační a řídicí systémy

Autor práce: Jakub Sokola

Vedoucí práce: Ing. Tomáš Martinec, Ph.D.

Ústav mechatroniky a technické informatiky Konzultant práce: doc. Ing. Josef Černohorský, Ph.D.

Ústav mechatroniky a technické informatiky

Zadání bakalářské práce

Využití senzitivních robotů pro rehabilitaci

Jméno a příjmení: Jakub Sokola Osobní číslo: M17000057

Studijní program: B2612 Elektrotechnika a informatika Studijní obor: Elektronické informační a řídicí systémy Zadávající katedra: Ústav mechatroniky a technické informatiky Akademický rok: 2019/2020

Zásady pro vypracování:

1. Seznamte se s možnostmi a vlastnostmi senzitivních (kooperativních) robotů a s možnostmi jejich použití ve zdravotnictví, zaměřte se zejména na oblast asistované rehabilitace.

2. Seznamte se s robotem KUKA iiwa a s vývojovým prostředím KUKA Sunrise.OS a navrhněte několik různých aplikací, které by umožnily ukázat různé možnosti využití tohoto robota pro účely asistované rehabilitace.

3. Realizujte jednu z navržených aplikací a otestujte její možnosti i limity.

Rozsah grafických prací: dle potřeby dokumentace Rozsah pracovní zprávy: 30–40 stran

Forma zpracování práce: tištěná/elektronická

Jazyk práce: Čeština

Seznam odborné literatury:

[1] KUKA Sunrise Cabinet, Assembly Instruction, KUKA Roboter GmbH, Augsburg, 2015.

[2] KUKA Sunrise.OS 1.7, KUKA Roboter GmbH, Augsburg, 2015.

[3] Beckerle P, Salvietti G, Unal R, Prattichizzo D, Rossi S, Castellini C, Hirche S, Endo S, Amor HB, Ciocarlie M, Mastrogiovanni F, Argall BD and Bianchi M (2017) A Human-Robot Interaction Perspective on Assistive and Rehabilitation Robotics.

Vedoucí práce: Ing. Tomáš Martinec, Ph.D.

Ústav mechatroniky a technické informatiky Konzultant práce: doc. Ing. Josef Černohorský, Ph.D.

Ústav mechatroniky a technické informatiky

Datum zadání práce: 10. října 2019 Předpokládaný termín odevzdání: 18. května 2020

L.S.

Prohlášení

Prohlašuji, že svou bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně jako pů- vodní dílo s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedou- cím mé bakalářské práce a konzultantem.

Jsem si vědom toho, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci nezasahuje do mých au- torských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu Technické univerzity v Liberci.

Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti Technickou univerzi- tu v Liberci; v tomto případě má Technická univerzita v Liberci právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Současně čestně prohlašuji, že text elektronické podoby práce vložený do IS/STAG se shoduje s textem tištěné podoby práce.

Beru na vědomí, že má bakalářská práce bude zveřejněna Technickou uni- verzitou v Liberci v souladu s § 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a o změně a doplnění dalších zákonů (zákon o vysokých školách), ve znění pozdějších předpisů.

Jsem si vědom následků, které podle zákona o vysokých školách mohou vyplývat z porušení tohoto prohlášení.

24. května 2020 Jakub Sokola

Poděkování

Především děkuji panu Martincovi za jeho ochotu, pomoc a rady při zpracovávání této práce. Dále fyzioterapeutce slečně Kristýně Krulichové a studentce fyzioterapie Kláře Koucké za odborné rady ohledně vykonávání rehabilitačních cviků.

Technické univerzitě děkuji za poskytnuté prostory, ve kterých jsem mohl praktickou část své práce realizovat.

Anotace

Tato práce se zaměřuje na roboty a jejich využití zejména v oblasti rehabilitace. Je zde základní seznámení s průmyslovými roboty, které má čtenáři přiblížit obecné využití robotů. Především jsou zde popsány senzitivní roboty z pohledu jejich vlastností, konstrukce a použití. Podrobněji je zde rozebrán KUKA LBR iiwa robot, na kterém byl vytvořen program pro praktickou část. Nechybí ani základní popis a účel rehabilitace, který je doprovázen rozdělením na jednotlivé robotické rehabilitační systémy. Zejména je zde popsáno, jak se dá lidská rehabilitace nahradit roboty. V praktické části je rozebrána parametrizace pohybu, druhy pohybu a kolizní podmínky. Práce je zakončena vytvořeným programem a popisem funkčnosti rehabilitační aplikace.

Klíčová slova

robot, senzitivita, senzitivní robot, rehabilitace, asistovaná rehabilitace, KUKA iiwa

Annotation

This work is focuses on robots and their utilization, mainly in rehabilitation field. There is familiarization with basic industrial robots, which should introduce general usage of robots. Mainly there is describtion of sensitiv robots and their properties, construction and usage. There is closely described KUKA LBR iiwa robot, on which a program for practical part was created. There is also a basic description and purpose of rehabilitation, which is accompanied with separation of robotic rehabilitation systems. Mainly there is described how the human rehabilitation can be replace by robots. In the practical part is analyzed the parameterization of movement, types of movement and collision conditions.

This work is finished with the created program and describtion of his function.

Key Words

Obsah

Úvod ... 9

1. Teoretická část ... 10

1.1 Průmyslové roboty ...10

1.2 Senzitivní roboty ...12

1.3 Roboti KUKA LBR iiwa ...15

1.4 Rehabilitace ...20

1.5 Rehabilitační roboty...22

2. Praktická část ... 26

2.1 Parametry pohybu KUKA LBR iiwa ...26

2.2 Rehabilitace v praxi ...28

2.3 Připojení a programování ...29

2.4 Singularity a pohyby robota ...33

2.5 Rehabilitační aplikace ...34

3. Závěr ... 41

Seznam použité literatury ... 42

Seznam zkratek

iiwa - (intelligent industrial work assistant) – inteligentní průmyslový pracovní asistent LBR - (Leichtbauroboter) - robot s lehkou konstrukcí

MF - (Media Flange) – efektor s aktivními prvky OS – (Operation system) – operační systém TCP – (Tool center point) – střed nástroje int – (integer) – celočíselný datový typ

Seznam obrázků

Obr. 1 – Ukázka pracovních prostorů[14] ... 11

Obr. 2 - Robotická paže ... 11

Obr. 3 - Sawyer a Baxter ... 14

Obr. 4 - Osy LBR iiwa [2] ... 15

Obr. 5 – Media flange Touch pneumatik[12] ... 16

Obr. 6 - Pracovní prostor LBR iiwa [2] ... 17

Obr. 7 – Rozsah osy A1 [3] ... 17

Obr. 8 – Působící síly [2] ... 18

Obr. 9 - Kuka Sunrise OS [2] ... 19

Obr. 10 - Pasivní mechanismus ... 22

Obr. 11 - Robotická manipulace [9] ... 23

Obr. 12 – Exoskeleton [5] ... 24

Obr. 13 – Chování tlumiče (Hookův zákon) [2] ... 27

Obr. 14 - Výměna dat ... 29

Obr. 15- Báze a TCP kalibrace [2] ... 31

Obr. 16 – Baze, frames a TCP ... 32

Obr. 17 - PTP a LIN pohyb [2] ... 34

Obr. 18 - Rehabilitační madlo ... 36

Obr. 19 - Diagram programu ... 38

Úvod

Senzitivní nebo také kooperativní roboty se vyznačují tím, že mohou pracovat v těsném kontaktu s lidmi. Také jsou známy pro svoji přesnost, citlivost a schopnost reagovat na vnější podněty. V průmyslu se začaly využívat na místech, kde z prostorových důvodů není možné umístit průmyslového robota s bezpečnostním oplocením, optickými závorami nebo jinými bezpečnostními prvky. Avšak mohou pracovat i za plotem a využívat senzitivitu k citlivé montáži prvků (např.: ozubená kolečka v převodovce).

Senzitivní roboty je však možné využít i v medicíně.

Medicínské odvětví, kterým se budu zabývat, nese název rehabilitace. Zejména z nedostatku pracovního personálu v oblasti fyzioterapie a zvyšující se délky života obyvatelstva se začalo experimentovat s robotickou rehabilitací. Některé systémy už jsou nasazeny do pracovního prostředí, ale prozatím se jedná spíše o motodlahy nebo exoskeletony. Senzitivní roboty zde hledají svoje místo, díky již výše zmíněným vlastnostem, a dosavadní experimenty ukazují pozitivní výsledky z pohledu jejich využití pro rehabilitaci.

Cílem této práce je seznámení se s problematikou senzitivních robotů a jejich využitím, zejména v oblasti rehabilitace. Teoretická část se zabývá jejich konstrukcí, vlastnostmi, rehabilitací a zejména pak asistovanou rehabilitací z pohledu robotiky. Dále je v praktické části seznámení s rehabilitací kloubů horních končetin a přímo s provedením určitých rehabilitačních cviků. Následně s vývojovým prostředím KUKA Sunrice.OS, připojením a programováním KUKA LBR iiwa robota. Získané zkušenosti jsou demonstrovány na vytvořené rehabilitační aplikaci.

1. Teoretická část

1.1 Průmyslové roboty

Robot je počítačově řízený stroj, který může vykonávat nějakou akci pomocí elektrických, pneumatických nebo hydraulických pohonů. S rozvíjející se technologií se z robotů staly precizní a přesné stroje, které se dnes používají téměř v každém průmyslu.

Můžou mít různé vlastnosti a podoby dělící se dle využití. V průmyslu se nejčastěji setkáme s robotickými pažemi, kterými se budu zabývat dále.

1.1.1 Vlastnosti

 Manipulační schopnost

- je dána pohyblivostí os a ramen

 Počet stupňů volnosti

- nejvíce používané roboty mají 6 stupňů volnosti, ale jiný počet stupňů volnosti není žádnou výjimkou

 Konstrukce

- elektrické, pneumatické a hydraulické pohony - harmonická převodovka pro její lehkost a přesnost

1.1.2 Pracovní prostor

Každý robot má kolem sebe definovaný takzvaný pracovní prostor. Jedná se o prostor, ve kterém robot vykonává svoji činnost. U klasických průmyslových robotů bývají tyto prostory z důvodu bezpečnosti lidem nepřístupné, protože tyto roboty nemají senzory momentu a nejsou schopni registrovat kolize s okolními předměty (lidmi) a mohlo by dojít k poškození robota, okolního prostředí či zranění lidské osoby.

Pracovní prostory dělíme do různých skupin dle počtu stupňů volnosti robota (viz Obr. 1).

Obr. 1 – Ukázka pracovních prostorů[14]

1.1.3 Robotické rameno

Běžné průmyslové roboty mají 6 os, které se obvykle značí A1 až A6. Díky těmto osám se robot dostane na jakékoli místo v jeho pracovním prostoru. Takovýto šestiosý robot má torusový tvar pracovního prostoru viz Obr.

1 pravá část.

Každá osa má svůj vlastní elektrický pohon, který je řízený frekvenčním měničem.

Roboty ke své činnosti potřebují řídicí systém. Ten zajištuje řízení a také komunikaci mezi robotem a uživatelem.

Obr. 2 - Robotická paže

1.2 Senzitivní roboty

Senzitivní, kooperativní nebo kolaborativní roboty, který se jedním slovem označují jako

„cobots“ (Collaborative robots), vykonávají svoji činnost v těsném kontaktu s lidmi. Jak vypovídá jejich název, tak neslouží k nahrazení lidské práce, ale ke kooperaci a urychlení procesu na různých pracovištích.

Aby roboty mohly pracovat v prostředí společně s lidmi, tak musí být schopni řídit svoji sílu. To se děje za pomocí vestavěných senzorů momentu. V praxi to funguje tak, že při kolizi je vyvinut větší moment síly na některou z os robota a robot je schopen na to reagovat (zastavit, zpomalit). Právě díky tomuto nejsou na senzitivní roboty kladeny takové bezpečnostní nároky z hlediska „ochrany“ před vniknutím osob do jejich pracovního prostoru jako u klasických robotů.

Reakci na změnu momentu lze programově nastavit. Příklad z asistované rehabilitace pomocí robota: Senzitivní robot se speciálním úchytem pro pacientovu končetinu začne vykonávat rehabilitační trénink. V určité části tréninku se začne pacient z důvodu bolesti více bránit, neboli začne vyvíjet větší sílu na efektor robota. Ten tuto sílu zaznamená v podobě působícího momentu, zpomalí pohyb a sníží tuhost/ tlumení (viz 2.1), aby pacient mohl trénink bezbolestně dokončit.

Druhým charakteristickým prvkem pro senzitivní roboty je takzvané ruční navádění. To slouží především k rychlé definování trajektorie přímo na pracovišti. Široká veřejnost tuto vlastnost označuje za „snadno programovatelný“. Dle mého názoru je tento termín chybný, protože naprogramovat obslužný program pro ruční vedení je úkol ne zcela jednoduchý a samotná definice trajektorie není už úplně programování, ale pouze využití obslužného programu. Tato vlastnost je výhodou pro rehabilitační aplikace, protože usnadňuje rychlé definování trajektorie, avšak není nutností.

Tab. 1 – Přehled cobotů dle Robotiq.com

Obrázek Název Počet

os

Dosah [mm]

Zatížení [kg]

Přesnost opakování

[mm]

Hmotnost [kg]

ABB-Yumi 2x7 500 0,5 0,02 38

AUBO – I5 7 880 5 0,05 24

BOSCH - APAS 6 911 4 0,03 230

KUKA – LBR IIWA 7 R800 7 800 7 0,1 22

KUKA – LBR IIWA 14 R800 7 820 14 0,15 30

FANUC – CR35IA 6 1813 35 0,08 990

F&P PERSONAL

ROBOTICS – PROB 2R 6 775 3 0,01 20

FRANKA – EMIKA 7 800 3 0,01 18,5

MOTOMAN/Y ASKAVA –

HV10 6 1200 10 0,1 47

MRK SYSTÉM – KR 5 SI 6 1423 5 0,01 150

RETHINK ROBOTICS -

SAWYER 7 1260 4 0,1 19

STÄUBLI- TX2-60 6 670 3,5 0,02 51,4

UNIVERSAL ROBOTS –

UR5 6 850 5 0,1 18,4

Přechozí tabulka ukazuje přehled cobotů i s jejich parametry dle Robotiq.com z roku 2019. Dále jsem se zaměřil na firmu Rethink robotics, která nabízí pouze dva senzitivní roboty.

1.2.1 Rethink robotics

Rethink robotics firma, která se dostala na světový trh robotiky se svými senzitivními roboty v roce 2016. Nabízí softwarovou platformu pro programování a jejich řízení.

V roce 2018 se Rethink robotics staly součástí německé firmy HAHN Group, která sdružuje jednotlivé firmy zabývající se automatizací a robotikou [10].

Sawyer a Baxter můžou pracovat nezávisle na dílčích jednoduchých úlohách, nebo společně jako jeden systém. Roboti dokáží zajistit adaptivní opakovatelnost s přesností +/- 0,1 mm.

Na zápěstí robota se nachází širokoúhlá kamera od firmy Cornex, která průběžně zobrazuje pozici robota.

Programují se pomocí platformy Intera.

V roce 2019 představila firma Rethink Robotics nový hardwarový update: Sawyer BLACK Edition. Tento nový hardware je, jak samy uvádí, výsledkem spolupráce s německými inženýry a dlouhodobými zkušenostmi firmy Rethink Robotics. Sawyer BLACK Edition by svoji kvalitou měl celkově zvednout spolehlivost cobotů. První představení proběhlo roku 2019 v HANH Group, kde nový Sawyer byl demonstrován v aplikaci pro balení krabic a plastových částí. Ještě tentýž rok bylo možné objednat nového cobota, který firma dodává i se zmíněnou Intera platformou a dvěma kamerovými systémy. [13]

Obr. 3 - Sawyer a Baxter

1.3 Roboti KUKA LBR iiwa

LBR iiwa roboti se používají v průmyslu při přesných a citlivých úkonech, právě díky jejich schopnosti měřit sílu působící proti pohybu a patřičně na ni reagovat. V průmyslu se začaly používat v zaběhnutých technických procesech, kde by z prostorových důvodů nebylo možné použít průmyslového robota s oplocením.

Velká snaha je o zavedení těchto robotů do oblasti medicíny. Nynější pokusy s rehabilitací pomocí robotů jsou pozitivní, čímž by se mohla v budoucnu navýšit kapacita pacientů v rehabilitačních centrech. Princip je takový, že robot působí silou na postiženou partii pacienta a provádí ho tréninkem pro zlepšení mobility.

1.3.1 Konstrukce

Iiwa robot má oproti standartním průmyslovým robotům o jednu osu více. Má tedy sedm stupňů volnosti, které mu dovolí nejen se dostat na jakékoli místo v jeho pracovním prostoru, ale hlavním účelem 7. osy je odstranit „střihový“

úhel. To znamená, že ať je robot v jakékoli pozici pod libovolným úhlem, tak vzdálenost mezi jeho jednotlivými rameny není tak malá, aby mezi nimi došlo k sevření nějakého objektu. Na obrázku Obr. 4 vidíme rozmístění jednotlivých os, které jsou označeny A1 – A7.

Každá osa je vybavena snímačem polohy, momentové síly a teploty. Oproti standartním robotům, je robot vybaven osou A3. To je již výše zmiňována sedmá osa, která je umístěna na rameni robota.

Robot je vyroben z hliníku a jeho oranžové části ukrývají pohonné jednotky. Jednotlivé kabely pro napájení jednotek jsou schovány uvnitř robota a z jeho paty jsou vyvedeny pouze konektory. Taktéž je uvnitř robota vedena pneumatika a slaboproudé vodiče pro připojení efektoru.

Obr. 4 - Osy LBR iiwa [2]

Efektory, které se připevňují na hlavu robota (osa A7), se liší podle svého tvaru, velikosti a použití. V laboratoři, kde jsem vypracovával tuto práci, je robot vybaven Media flange Touch pneumatic.

1.3.2 Media flange Touch pneumatik

Tento efektor disponuje několika prvky: digitální vstupy/výstupy, tlačítko pro (hand guiding) ruční vedení (2) a umožňuje i zapojení pneumatiky pro ovládání manipulačních kleští nebo přísavek.

Dále obsahuje spínač, který lze použít pro aplikační účely (3) a LED pásek, který je opět programově ovladatelný (1). [12]

Obr. 5 – Media flange Touch pneumatik[12]

Světlený LED kroužek v sobě obsahuje dva LED proužky. První z nich je modrý a dá se konfigurovat dle potřeb uživatele. Druhý červený/zelený je vyhrazený pro interní hlášení.

Přepínací rychlost mezi stavy je minimálně 25 ms. [12]

Tlačítko 2 pro ruční vedení má tři pozice: uvolněná poloha, prostřední poloha a plně zmáčknuté. Pro ruční vedení je nutné držet spínač v prostřední poloze, tedy „napůl zmáčknutý“. [12] Je to dáno kvůli bezpečnosti, protože obsluha při zaleknutí z nebezpečí reaguje šokem a sevře ruku nebo ji naopak uvolní.

Aplikační tlačítko 3 je volně programovatelné a má dva stavy: zapnuto, vypnuto. Stav tohoto aplikačního tlačítka je snímán každých 25 ms. [12]

1.3.3 Vlastnosti

Na Obr. 6 je zobrazen nárys a půdorys pracovního prostoru LBR iiwa 7 R800, na kterém byla tato práce vypracována. Kótování je uvedeno v milimetrech. MF zakótované v nárysu prodlužuje rameno robota a tím i jeho pracovní prostor.

Obr. 6 - Pracovní prostor LBR iiwa [2]

Obr. 7 – Rozsah osy A1 [3]

Na tomto obrázku vidíme příklad aplikace robota LBR iiwa, jehož pracovní prostor je z části oplocen. Zelená zóna 1 je považovaná za bezpečnou. V této oblasti se robot pohybuje plnou rychlostí a nemusí ani kontrolovat kolize s okolím, protože se předpokládá, že v této zóně nemůže dojít k žádné dojít. Zóna 3 je méně bezpečnou, kde robot zpomalí svůj pohyb. V zóně 4 se už robot pohybuje v těsném kontaktu s lidmi, takže rychlost ještě sníží a je připraven reagovat na kolize.

Tab. 2 - Parametry LBR iiwa 7 R800 [2]

LBR iiwa 7 R800

váha 23.9 kg

max. váha nákladu 7 kg

řídící systém KUKA Sunrise Cabinet

rozsah pohybu rychlost s max. nákladem

A1 ± 170 ° 98°/s

A2 ± 120 ° 98°/s

A3 ± 170 ° 100°/s

A4 ± 120 ° 130°/s

A5 ± 170 ° 140°/s

A6 ± 120 ° 180°/s

A7 ± 175 ° 180°/s

Tab. 3 - Velikost působících sil [2]

Robot při své práci působí na tělesa určitou silou. Velikost této síly je programově volitelná. Avšak robot musí vyvinout sílu takovou, aby vykompenzoval vlastní tíhu.

Tab. 3 nám ukazuje, jakou kompenzační sílu vyvolává robot LBR iiwa 7 R800 v jednotlivých směrech naznačených na Obr. 8.

Vertikální síla 524 N Horizontální síla 240 N moment naklánění 310 Nm moment kolem A1 156 Nm

Obr. 8 – Působící síly [2]

1.3.4 Kuka Sunrise OS

Obr. 9 - Kuka Sunrise OS [2]

Celou sestavu pro robotický systém vidíme na Obr. 9 a je tvořena robotickým ramenem (3), které je blíže popsáno v kapitole (1.3.1).

KUKA Sunrise Cabinet řídicím systémem (2), který se skládá z ovládacího počítače, smartPAD kontrolního panelu a propojovacího panelu. Funkce jednotlivých částí řídicího systému jsou patrné z jejich názvů. Napájení je jednofázové z klasické rozvodné sítě pro ČR 230 V. Všechny prvky OS jsou propojeny přes řídicí systém pomocí různých rozhraní.[2]

Dále sestava obsahuje KUKA smartPAD ovládací panel (4), ten disponuje dotykovým displejem, nouzovým stop vypínačem, joistickem, který ale u KUKA LBR iiwa nemá žádnou funkci, a dalšími tlačítky pro řízení pohybu i rychlosti manipulátoru. Ze zadní části jsou na více místech rozmístěna povolovací tlačítka (enabling switch) a start tlačítko.

Pro spuštění pohybu musí být současně sepnuto povolovací i start tlačítko, přičemž start je ještě zabezpečený třemi polohami sepnutí stejně jako tlačítko pro ruční vedení viz (1.3.2)[2]. Posledním prvkem je počítač s nainstalovaným softwarem KUKA Sunrise Workbench (1).

U tohoto systému je kladen důraz na oddělení programové a uživatelské části. Na rozdíl od běžných robotů, které se programují přímo přes ovládací panel, se KUKA lbr iiwa roboty programují softwarově ve vývojovém prostředí KUKA Sunrise Workbench.

SmartPAD dále slouží pouze pro uživatele jako ovládací prvek.

1.4 Rehabilitace

Rehabilitace je úsilí společnosti s cílem zlepšení zdravotního stavu jedince a začleňování osob do běžného sociálního života. Pro celou společnost je důležité, aby osobě se zdravotním postižením byla poskytnuta rehabilitaci v celé její šíři. Poskytnutím efektivní rehabilitace je osoba se zdravotním postižením schopna se rychleji začlenit do pracovního cyklu. Přispívá tak ekonomické nezávislosti a neplýtvá prostředky, které by se vynaložili na dlouhodobou léčbu. [11]

Rehabilitace má několik podoborů[6]:

 Myoskeletální medicína – jedná se o terapii, která uvolňuje měkké tkáně nebo vrací mobilizaci. Tato medicína je prováděna rukou terapeuta.

 Fyziatrie – pro léčbu jsou zde využívány fyzikální a přírodní prostředky: voda, elektrická energie, elektromagnetické záření nebo ultrazvuk

 Fyzioterapie – obnovuje funkce pohybového systému s využitím různých forem energie, nejčastěji však pohybové energie.

Samotná rehabilitace je pak prováděna fyzioterapeuty buď formou ambulantní, nebo komplexní lůžkové péče. U ambulantní formy rehabilitace pacient navštěvuje fyzioterapeutická pracoviště, kde podstupuje léčbu. Při komplexní lůžkové péči pacient přetrvává v zařízeních, která jsou k tomu uřčená, a je mu poskytována fyzioterapie v potřebné míře [6].

1.4.1 Rehabilitační ošetřovatelství

Pokud daný jedinec prodělal vážné zranění, operaci nebo je z nějakého jiného důvodu imobilizován, tak je snaha o prevenci imobilizačního syndromu a tím se zaobírá

 Polohování

Správné polohování může vyvolat motorické i senzorické podněty, které ovlivňují pozdější léčbu pacienta. Zlepšuje prokrvení jednotlivých částí, brání deformací kloubů, eliminuje bolest a zlepšuje psychický stav. [11]

 Vertikalizace

Tato metoda se provádí na sklopném stole, kde se pacient zafixuje a postupně se zvyšuje stupeň vertikalizace až po dosažení svislé polohy. [11]

 Mobilizace

Delší imobilizace zhoršuje delší průběh onemocnění, proto se s mobilizací pacienta musí začít co nejdříve. Můžeme sem zařadit pasivní, asistovaný nebo aktivní pohyb. Cílem pasivního cvičení je zachovat pohyb v paměti. Aktivní cvičení vykonává pacient sám pod vedením fyzioterapeuta. [11]

1.4.2 Asistovaný pohyb

Tento pohyb vykonává pacient s dopomocí druhé osoby. Asistovaný pohyb potřebují pacienti, kteří nejsou schopni samostatného pohybu nebo pacienti se zvýšeným svalovým napětím, kteří nadměrným úsilím o samostatný pohyb mohou vyvolat asociované reakce.

Zprvu se provádí jednoduché cviky, jako je pohyb jednotlivými končetinami nebo trupem a až později je napodobována aktivita běžných činností (například: chůze, vstávání ze sedu). [11]

Je snaha přijmout co nejvíce pacientů, kteří rehabilitaci potřebují. Z tohoto důvodu se začalo experimentovat s robotickou rehabilitací, která je ukázkovým příkladem asistovaného pohybu.

Dráhu pohybu končetiny, kterou dříve vedl terapeut, byla nejprve nahrazena robotem podobající se spíše CNC stroji. Tento stroj vykonával horizontální nebo vertikální pohyb bez žádné zpětné vazby, ale nyní s rozvojem senzitivních robotů jsou tyto experimenty s robotickou rehabilitací posunuty mnohem dál. Robot svými senzory zaznamenává správné vykonávání cviku a i sil, kterými pacient působí proti pohybu. Dlouhodobý sběr dat z rehabilitačních cvičení pak pomáhá k vyhodnocení účinnosti zvolené rehabilitace.

1.5 Rehabilitační roboty

Se zvyšujícími se nároky na asistenci v rehabilitačních centrech se vyvíjí i rehabilitační robotika. Nejčastěji se rehabilitační roboty používají pro rehabilitaci končetin (asistovaný pohyb).

Rehabilitační roboty mají efektor, který je navržen tak, aby bezbolestně uchytila pacientovu končetinu nebo aby se za ní pacient mohl držet. Při uchycení je pacient schopen vykonávat končetinou stejnou dráhu jako robot. Tak robot nahradí terapeuta, který asistuje pacientovi při pohybu.

Zároveň roboty svými senzory měří odchylku od ideální dráhy. Můžou tak zaznamenat pacientovu sílu, zrychlení, cukání, citlivost nebo rozsah pohybu. Jednotlivé výsledky se zaznamenávají a slouží jako obraz zlepšování mobility pacienta.

Rehabilitační systémy[1]:

1. Pasivní mechanismus – systém obsahující předně senzory pozice, často bývá v podobě hry, která pacienta provede tréninkem na postiženou partii

Na Obr. 10 je příklad pasivního mechanismu.

Pacient hraje hru, která je ovládána MIT-Manus robotem. Robot zajišťuje procvičení pacientovi paže v horizontálním směru[7].

Obr. 10 - Pasivní mechanismus

2. Robotická manipulace – obsahuje především senzory momentu a síly, vede pacienta po určité dráze

Na tomto obrázku je příklad robotické manipulace. Robot projíždí naprogramovanou dráhu s uchycenou dolní končetinou a může měřit síly působící proti pohybu.

Tento typ manipulace by se dal použít jako první fáze asistovaného pohybu, což je jednoduchý izolovaný pohyb končetinami (viz 1.4.2).

Obr. 11 - Robotická manipulace [9]

3. Exoskeletony – systém obsahující senzory úhlu, síly a pozice, jedná se o mechanismus, který pomáhá pacientovi v pohybu jednotlivými klouby.

Obr. 12 – Exoskeleton [5]

Exoskleton můžeme chápat jako mechanickou konstrukci s aktivními prvky připevněnou na pacientovo tělo, která mu dopomáhá s pohybem. Na Obr. 12 vidíme zařízení Lokomat, které asistuje postižené osobě při chůzi. Lokomat je již velmi rozšířený a používá se po celém světě. Závěsná konstrukce dovoluje různé stupně

„odlehčení“ pacientova těla, takže jej můžou využívat i ochrnutí pacienti. Použitím Lokomatu se docílí efektivnější a rychlejší rehabilitace oproti izolovanému asistovanému pohybu jednotlivými končetinami. U ochrnutých pacientů pak dochází k lepšímu prokrvení spodních končetin i k lepší stimulaci kloubů, vazů a svalů. [5]

1.5.1 Srovnání rehabilitačních robotů a lidí

Toto téma bylo rozebráno ve studii Three-dimensional, task-specific robot therapy of the arm after stroke: A multicentre, parallel-group randomised trial. (2014) [1], kde autoři

avšak jedna skupina podstupovala cvičení s rehabilitačním robotem a druhá s fyzioterapeutem. Výsledky obou skupin dopadly téměř stejně. Podobný experiment, který potvrzoval tvrzení, že robotická rehabilitace je stejně účinná jako klasická, byl rozebrán o 4 roky dříve v Robot-assisted therapy for long-term upper-limb impairment after stroke (2010). [1]

Benefity robotické rehabilitace

Hlavní výhodou jsou senzory sloužící k pohybu robota a senzory pro pozorování pacienta, které poskytují cenné informace o pacientově pohybu a poloze. Při klasické rehabilitaci jsou informace o motorice pacienta získávány pomocí zaběhnutých cviků (testů), ze kterých pak fyzioterapeut vizuálně vyhodnotí pacientovu mobilitu.

Vyhodnocení zabere nějaký čas a vyžaduje specialistu s dlouholetou praxí. Tyto cvičení jsou obvykle prováděny na začátku rehabilitace a následně někdy průběhu, aby se zhodnotili dosažené výsledky nasazené rehabilitace. [1]

Zatímco při užití robotické rehabilitace jsou data sbírána při každém cvičení. Cvičení může zahrnovat měření rychlosti, zrychlení, úhlu, nápor na klouby, rozsah pohybu nebo interní kloubní rotaci. Přičemž spoustu z těchto funkcí nelze ani pomocí testů mobility změřit. [1]

2. Praktická část

2.1 Parametry pohybu KUKA LBR iiwa

Každá osa má svoje senzory pro měření polohy a momentu. Data z těchto snímačů jsou používána pro parametrizaci pohybu. Můžeme si pro každou osu představit virtuální model, který se skládá z tlumiče s nastavitelnou tuhostí a tlumením. Tento tlumič je pak roztahován na základě působícího momentu a polohy nástroje. [2]

Parametry tuhost a tlumení jsou nastavovány programově pomocí objektu třídy CartesianImpedanceControlMode. Tato třída má definované vlastnosti pro řízení tuhosti i tlumení v kartézských souřadnicích pro jednotlivé směry X, Y a Z. Druhou možností je nastavení pomocí třídy JointImpedaceControlMode. Přičemž při vytváření objektu této třídy pro nastavení tuhosti a tlumení v osách lze volat dva konstruktory. První žádá parametr typu double a nastavuje tuhost/ tlumení pro všechny osy stejné. Druhý konstruktor žádá parametr int, který označuje číslo osy. Při užití objektu s druhým konstruktorem je možné řídit tuhost nebo tlumení v každé ose zvlášť.

Robot může být programován bez parametrizace, ale tím by se nám ze senzitivního robota stal nesenzitivní. Parametrizací pohybu, pomocí výše zmíněné třídy a parametrů, se robot stává senzitivním a může reagovat na vnější podněty.

2.1.1 Výpočet sil na základě Hookova zákona

Při pohybu robota je měřena odchylka od nastavené a skutečné hodnoty. Pokud tyto hodnoty jsou stejné, tak virtuální model s tlumičem je v základní poloze. To znamená, že virtuální pružina je v klidovém stavu a nevyvíjí žádnou sílu. [2]

Pokud systém odměřování zaznamená odchylku mezi skutečnou a nastavenou hodnotou, tak virtuální tlumič začne vyvíjet sílu na základě Hookova zákona. Výsledná vypočítaná síla F je úměrná tuhosti pružiny C a odchylce od nastavené hodnoty Δx.

F = C * Δx [2]

Obr. 13 – Chování tlumiče (Hookův zákon) [2]

Na Obr. 13 vidíme chování tlumiče na základě Hookova zákona. V levé části je ideální případ, kdy odchylka od nastavené a skutečné hodnoty je nulová a síla generovaná tlumičem je také rovna nule. V ostatních dvou případech je vyznačena odchylka od žádané hodnoty Δx, tuhost C, velikost a směr generované síly F.

2.1.2 Kolizní podmínky

Kolizní podmínky lze chápat, jako soubor podmínek, na které robot nějak reaguje. V mé práci jsem využil pouze silové podmínky, které se definují pomocí třídy ForceCondition.

Pomocí této třídy lze vytvořit objekt pro měření externě působící síly, přičemž tato síla se vždy vztahuje k definované části robota. To znamená, že lze měřit sílu působící na efektor či na nástroj robota, ale při vytváření objektu je konstruktorem požadován frame, ke kterému se měřená síla vztahuje. Třída nabízí následující měření sil: měření magnitudy silového vektoru v kartézských souřadnicích, magnitudy vektoru jako průmět do roviny nebo velikost v jednotlivých definovaných směrech. [2]

V mém programu jsem využil možnost měření síly v jednotlivých směrech pro X, Y a Z.

To znamená, že jsem pro danou kolizní podmínku vytvořil objekt, jehož konstruktor požadoval směr měřené síly (X, Y nebo Z), velikost síly, při které dojde k vyvolání podmínky a frame, zde je předán frame nástroje, protože v následující aplikaci se bude pacient držet za rehabilitační madlo.

2.2 Rehabilitace v praxi

V praxi nejdříve fyzioterapeutický pracovník musí určit závažnost zranění, k čemuž využívá několik technik. Po diagnostice se zvolí příslušné rehabilitační praktiky, které odpovídají závažnosti postižení.

Omezený rozsah kloubů může být způsoben[11]:

 Strukturální změnou kloubu

 Smrštěním kloubního pouzdra (při déle trvající imobilizaci)

 Zkrácením svalových vláken

 Funkční poruchou kloubů (kloubní blokády)

Při rehabilitaci kloubů za účelem obnovení hybnosti v celém rozsahu, s ohledem na robotické možnosti, se provádí následující cvičení.

Postiženou partií se hýbe v celém jejím rozsahu do mezního úhlu, který se odvíjí od bolesti pacienta. Pacient se musí pořád snažit ve zdravé míře překonávat bolest a zvyšovat pohyblivost kloubů i svalů, avšak stěží překonává tuto bolest sám, proto aspoň ze začátku potřebují vedení, aby věděli s jakou intenzitou a technikou dané cviky vykonávat.

V Tab. 4 uvádím kloubní rozsahy horních končetin, přičemž nulový stupeň se vztahuje k volnému svěšení rukou podél těla. V mé aplikaci kvůli umístění robota se provádí cvik na abdukci a flexi ramene pouze do 90°. Z pohledu abdukce, kdy pacient stojí kolmo k rehabilitačnímu madlu, je toto v pořádku, protože od 90 a více stupňů přebírají práci ramene spíše lopatky. Pro flexi, což spočívá jenom v otočení pacienta čelem k madlu, toto už není zcela správně, protože flexe by se měla provádět v plném rozsahu. Ale vytvořená aplikace by šla využít jako počáteční fáze pro zlepšení flexe v ramenním kloubu.

Proces rehabilitace je časově náročný a pacient zvyšuje rozsah pohybu v kloubech postupně. V závislosti na zranění může trvat i měsíce, než pacientova mobilita bude plně obnovena.

2.3 Připojení a programování

V první řadě je zapotřebí si do počítače nainstalovat vývojové prostředí Sunrise Workbench. Toto prostředí obsahuje všechna potřebná data pro komunikaci s řídicím systémem KUKA Sunrise Cabinet. Samotný program je tvořen v programovacím jazyce Java. Runtime data jsou „proměnné“ používané vytvořenou aplikací a jsou potřebné pro pohyb robota. Data jsou typu frame, přičemž frame může představovat bod v prostoru, bázi nebo nástroj. Jedná se o proměnnou, která v sobě nese informace o posunu ve směrech X, Y, Z, natočení robota A, B, C v radiánech a případně i o kalibraci nástroje.

Dále v textu při zmínění frame je její význam patrný z kontextu např.: bod, nástroj.

Připojení mezi počítačem a systémem zajišťuje běžný síťový kabel s koncovkou RJ-45 a komunikace probíhá na základě protokolu TCP/IP. Pro připojení k robotovi je nutné nastavit stejnou IP adresu, jako má robot.

2.3.1 Synchronizace projektu a prostorové body ramenní kloub

flexe 150 ° - 170 ° extenze 40 °

abdukce 180 ° addukce 20 ° - 40 ° loketní kloub ^{flexe 150 °}

extenze 10 ° Tab. 4 - Rozsahy klubů

Body v prostoru je zapotřebí nejdříve definovat ve zdrojové kódu aplikace. Potom tyto body tvoří hierarchický strom, na jehož vrcholu se nachází báze a pod ní jednotlivé body v dané bázi. Pro jednu aplikaci lze definovat několik bází, které se v dané aplikaci využívají. Synchronizací projektu (Obr. 14) pak dojde k nahrání těchto vytvořených, zatím prázdných (s nulovými souřadnicemi), bodů do řídicího systému.

Je důležité při této první fázi nezvolit nahrání dat z kontroleru do projektu, tím bychom definované body ztratili, protože kontroler žádné body neměl, tak se tento stav synchronizuje i na projekt a vytvořené body budou vymazány.

Po úspěšné synchronizaci lze na smartPADu vyhledat vytvořené body a definovat jejich souřadnice. Robotem najedeme do požadované polohy, buď ručním vedením nebo pomocí smartPADu, a na touchpadu pod položkou frames otevřeme bod, který chceme definovat. Stiskem tlačítka Touch up se uloží souřadnice robota do proměnné.

Synchronizací, ale s opačnou volbou (tedy z kontroleru na projekt), se nahrají body s uloženými informacemi o poloze robota do projektu a můžou se začít využívat v programu.

2.3.2 Vlastní báze a TCP kalibrace

Pro vytvoření vlastní aplikace je skoro nutností si definovat vlastní nástroj a bázi. Na hlavu robota je připevněno rehabilitační madlo (Obr. 18), pro které musí být udělána kalibrace.

Standartně, pokud není jinak definováno, se jako počátek souřadného systému pro nástroj bere střed osy A7. Avšak já jsem si vytvořil nástroj s názvem tool a následně jsem použil 4 bodovou kalibrační metodu pro jeho definování. Tato metoda spočívá ve výpočtu středu kružnice, kde koncem nástroje se dojíždí na referenční bod ze čtyř různých směrů a ze získaných 4 souřadnic je robot schopen vypočítat velikost nástroje. U této metody je důležité, aby referenčního bodu bylo dosaženo vždy co nejpřesněji.

Takto definovaný nástroj tool má posunutý střed souřadného systému o [ -6,1; 6,2; 422,8 ] mm ve směrech [X; Y; Z] (Obr. 16) od standartního souřadného systému pro nástroj.

Vytvoření a nahrání vlastních bodů do projektu/kontroleru je popsáno v kapitole (2.3.1).

Pro založení vlastní báze zvolíme jeden z vytvořených bodů, který nadefinujeme jako bázi a tím ho zároveň umístíme do čela hierarchického stromu. Definice báze probíhá pomocí tří bodů. První z nich tvoří počátek souřadného systému, druhý definuje směr osy X a třetí bod směr osy Y. Osu Z si robot vypočítá ze získaných dat, tak aby souřadný systém byl pravotočivý.

Počátek standartní báze je definován v patě robota. Mnou kalibrovaná báze má posunutý střed souřadného systému o [ 635,8; 141,1; 30,2 ] mm ve směrech [X; Y; Z] (Obr. 16).

Obr. 15- Báze a TCP kalibrace [2]

Obr. 16 – Baze, frames a TCP

2.4 Singularity a pohyby robota

Singularity jsou způsobeny v důsledku matematických výpočtů pohybu. První typ singularity je způsoben nekonečně velkou rychlostí pohybu. Pro zachování kartézského pohybu je vypočítáno otočení v jedné ose o 180 stupňů, ale v nekonečně krátkém čase.

Robot se však skládá z reálné hmoty a není schopen tento pokyn vykonat. Druhý typ je zapříčiněný inverzní kinematickou úlohou, kdy je známý koncový bod robota (efektoru) a jsou dopočítávány jednotlivá natočení v osách. Avšak robot najde nekonečně mnoho řešení, jak dosáhnout koncové pozice. Pokud není nalezeno optimální řešení, tak může být na robota kladen pohyb neuskutečnitelnou dráhou. Singularity vedou k zastavení pohybu robota s chybovým hlášením. Obvykle je nutno přepnout ovládání do ručního režimu a z bodu singularity manuálně vyjet. KUKA LBR iiwa má celkem 4 singularity:

A4 = 0°, A4 = ± 90° a A6 = 0°, A2 = 0° a A3 = ± 90° nebo A6 = 0° a A5 = ± 90°.

2.4.1 PTP pohyb

PTP (point to point) je pohyb z bodu do bodu. Robot se z bodu A do bodu B pohybuje po libovolné dráze. U tohoto pohybu nelze řídit rychlost, tuhost ani tlumení efektoru v kartézských souřadnicích, ale pouze v jednotlivých osách. Potom však nastavené parametry se nevztahují k efektoru robota. Avšak tento pohyb má své výhody i nevýhody.

Výhodou je, že robot se nedostane do singularity, protože není definována dráha mezi body A a B a robot se singularitě jednoduše vyhne. Nevýhodou je ovšem neschopnost řízení výše zmíněných parametrů ve směrech X, Y a Z, což je pro rehabilitaci klíčové.

2.4.2 LIN pohyb

LIN neboli lineární pohyb definuje nejenom počáteční a koncový bod ale i dráhu pohybu.

Robot se v každé ose pohybuje jinou rychlostí za cílem udržení lineárního pohybu mezi dvěma body. Při užití tohoto pohybu můžeme řídit rychlost, tuhost a tlumení v jednotlivých směrech X, Y a Z. Nevýhodou však jsou zmíněné singularity, do kterých se robot může dostat a musí se tedy patřičně ošetřit.

Obr. 17 - PTP a LIN pohyb [2]

2.4.3 Komplexní pohyb

Komplexní pohyb je tvořen několika jednotlivými pohyby, které jsou chápány jako jeden.

To znamená, že při spojení několika pohybů se koncový bod jednoho pohybu nebere jako koncový, ale hned se naváže na další bod v řadě. Nevznikají tak nespojité přechody mezi jednotlivými pohyby, které by nastaly při nepoužití komplexního pohybu. Komplexní pohyb lze definovat pomocí třídy Spline, MotionBatch nebo příkazu pro pohyb moveAsync. [2]

Při použití příkazu move se do kontroleru posílají příkazy pohybu jednotlivě až po dokončení předchozího pohybu. Na rozdíl od toho moveAsync nečeká na dokončení pohybu a kontroler zpracovává požadavky na pohyb i když je rameno v pohybu. Tento příkaz tak aproximuje projížděné body a projíždí v jejich okolí spojitě.[2]

2.5 Rehabilitační aplikace

Jako demonstraci použitelnosti senzitivních robotů v oblasti rehabilitace jsem vytvořil aplikaci, která má dva předdefinované cviky a zároveň umožňuje terapeutickému pracovníkovi zadat vlastní dráhu pro třetí cvik.

Aplikace je navržena tak, aby obsluha robota mohla lehce zvolit, případně nadefinovat, a parametrizovat jednotlivé cviky. Prvně robot najede do startovní polohy a následně je obsluha pomocí ovládacího panelu vyzvána k výběru cviku, který umožňuje volby:

„loket“, „rameno“, „vlastní cvik“.

2.5.1 Předdefinované cviky

Při zvolení možnosti „loket“ nebo „rameno“ je pak obsluha provedena sérií dotazů, pomocí kterých se parametrizuje pohyb. Zprvu, než započne vlastní parametrizace, je obsluha upozorněna na možnost zvolení rychlosti vykonávaného cviku pomocí uživatelských tlačítek. Následuje dotaz: „vážnost zranění?“ Tato otázka je doprovázena třemi volbami: „lehké“, „střední“ a „těžké“. Každá možnost nastaví jinou tuhost a tlumení (stiffness and damping) virtuálního modelu s tlumičem (viz2.1). Tyto hodnoty se nikde v rehabilitační literatuře neuvádí, proto jsem je volil experimentálně.

Dále každá ze zvolných možností vytvoří jinou kolizní podmínku (viz2.1.2). Podle volby obsluhy se definuje maximální síla pro přerušení pohybu. Pro cvik na loket je definována kolizní síla pouze ve směru vykonávání cviku (v mé aplikaci pro směr Y). Při výkonu druhého cviku na rameno je definována kolizní síla jako magnituda silového vektoru.

Volbou „těžké“ zranění je síla nastavena na 20 N a volbou „lehké“ zranění pak na 40 N, tyto hodnoty jsem opět volil experimentálně. V praxi by to mohlo fungovat následovně:

pacient z důvodu bolesti není schopen daný cvik dokončit a tak se začne více bránit, přičemž tuto sílu robot zaznamená a zastaví pohyb. Pacient se po dobu celého cviku drží madla upevněného na efektoru (Obr. 18), robot jede do konečné pozice a je připraven přerušit pohyb při dosažení kolizních podmínek. Pokud tedy pacient není schopen z důvodu mobility kloubů či zkrácení svalů cvik dokončit, tak začne vyvíjet větší sílu proti pohybu a robot zastaví pohyb, rozsvítí se led pásek, pro indikaci nedosažení cílové polohy, a vrací se zpět do startovní pozice. Takto se cvik opakuje v závislosti na zvoleném počtu opakování.

Obr. 18 - Rehabilitační madlo

Konec cvičení provází otázka na ovládacím panelu: „opakovat?“, tento dotaz nabízí dvě možnosti: „ano“, „ne“. Po zvolení možnosti „ano“ proběhne stejný dotazovací proces jako na počátku. Může se tedy cvičení napasovat na nového pacienta nebo upravit parametry pohybu pro pacienta, který právě docvičil.

2.5.2 Definice vlastního cviku

Při volbě „vlastní cvik“ je obsluha vyzvána dialogem: „pro start stiskněte zelené tlačítko a následně začněte definovat dráhu pohybu. Pro ukončení zadávání cviku opět stiskněte zelené tlačítko.“ Obsluha potvrdí zobrazený dialog pomocí „ok“, stiskne zelené uživatelské tlačítko, které je umístěné na efektoru robota a následně při sepnutém tlačítku pro ruční vedení zadává dráhu cviku přesně dle potřeb pacienta. Pokud obsluha robotem nepohybuje, neboli pokud následující zapisovaný bod je stejný jako předchozí, tak se dráha nezaznamenává.

Robot má vytvořený virtuální pracovní prostor, ve kterém by měl být cvik definován.

Pokud obsluha při definici trajektorie vyjede z toho definovaného prostoru, tak se rozsvítí led pásek, který obsluze říká, že by se měla vrátit zpět do pracovního prostoru, ale daná

pracovní prostor se body blízko singularit nezapisují a obsluha by měla definovat dráhu trochu jinou cestou.

Toto omezení definice dráhy je vcelku nepříjemné, ale výhodu nám je potom následné provádění cviku lineárním pohybem s možností řízení rychlosti, tuhosti a tlumení v jednotlivých směrech X, Y a Z koncového bodu efektoru. Dalším řešením pro odstranění dosáhnutí singularit je provádění cviku pomocí PTP pohybu. Při tomto použití by nebylo nutné definovat pracovní prostor ani okolí singularit, protože robot by body neprojížděl pomocí definované dráhy, ale pomocí definovaných bodů a tak by se singularitám vyhnul. Avšak to nese sebou tu nevýhodu, že lze řídit výše zmíněné parametry pouze v klubech a nelze regulovat parametry koncového bodu nástroje. Tím pádem se vzdáme parametrizace pohybu efektoru, tudíž i parametrizace pohybu pacientovy končetiny.

Ukončení definice dráhy proběhne opětovným stiskem zeleného tlačítka. Před zahájením cviku je, stejně jako u předdefinovaných cviků, obsluha dotázána na vážnost zranění s volbami: „lehké“, „střední“ nebo „vážné“ a počet opakování. Při tomto cviku se nenastaví žádné kolizní podmínky, protože se předpokládá, že cvik je definován na míru pacienta s ohledem na jeho rozsah pohybu.

2.5.3 Program

Hlavní část programu je tvořena příkazem switch, kde se na základě první volby obsluhy vybírá cvik k provedení. První a druhá volba nabízí předefinovaný cvik, tomu odpovídá case0 a case1. Následuje parametrizace pohybu, kdy pomocí uživatelských tlačítek se nastaví rychlost, která je programově omezena na minimální a maximální hodnoty 50 a 200 mm/s. Poté je volána metoda pro nastavení tuhosti, tlumení pohybu a kolizních podmínek. V této metodě proběhne dialog s uživatelem, kdy uživatel zvolí závažnost zranění a na základě jeho výběru se v příkazu switch nastaví tuhost a tlumení v jednotlivých směrech X, Y a Z. Metoda pak vrací pole int se čtyřmi prvky. První tři jsou zmíněné tuhosti a tlumení v jednotlivých směrech X, Y a Z. Ve čtvrtém prvku je uložena hodnota maximální síly v newtonech, která přeruší pohyb. Pomocí vráceného pole parametrizuji třídu CartesianImpedanceControlMode.

Pro vytvoření kolizních podmínek je volána metoda, která vrací typ ForceCondition a předávám ji čtvrtý prvek zmíněného pole. Pro každý cvik je nutné mít vlastní metodu, protože například pro loket definuju mezní sílu v ose Y a pro cvik na rameno zase ve všech směrech. Tímto je vlastně připravena půda pro další cviky, protože pokud je potřeba založit nový cvik, tak je pouze zavolána metoda pro vytvoření kolizních podmínek v požadovaném směru X, Y, Z nebo ve všech směrech.

V posledním dialogu zvolí obsluha počet opakování, který slouží jako parametr pro for cyklus, ve kterém je příkaz pro konání lineárního pohybu s nastaveným módem (tuhost, tlumení) a nastavenou podmínkou pro přerušení pohybu. Pokud je pohyb přerušen, tak se do IMotionContaineru uloží podmínka, která toto přerušení vyvolala a začne se vykonávat sekvence příkazů pro dané přerušení. Rozsvítí se modrý led pásek, robot jede do startovní polohy pro daný cvik a vykonává cvik od začátku.

Třetí volba nabízí definování vlastního cviku, čemuž odpovídá case2. Ten je dále strukturován podobně jako stavový automat, při stisku zeleného tlačítka přičítám do proměnné int jedničku a tak se dál posunuji do dalšího stavu. V prvním stavu pouze čekám na sepnutí stav = 0. V druhém stavu (stav =1) se zaktivuje vlákno, které běží paralelně s hlavním programem. Toto vlákno se budí každých 500 ms a požaduje aktuální kartézské souřadnice.

Aktuální získané souřadnice jsou porovnávány s předchozím zapsaným bodem. Pokud

robota. V metodě spuštěného vlákna se porovnává aktuální poloha os s okolím singularity. To znamená, že pokud máme například singularitu A4 = ± 90° a A6 = 0°, tak metoda kontroluje okolí těchto úhlů, tedy pokud u osy A4 naměří úhel mezi ± 80°

a ± 100° a zároveň u osy A6 ± 10°, tak je tento bod vyhodnocen jako okolí singularity, upozorní se obsluha a bod se nezapisuje. Takovýmto způsobem se zkontrolují všechny čtyři možné singularity. Pokud se bod nenachází v okolí singularity, tak se v poslední řadě porovnává, zda se daný bod nachází v pracovním prostoru. Pracovní prostor je definován mezními hodnotami ve směrech X, Y a Z. Pokud aktuální souřadnice robota jsou mimo pracovní prostor, tak se vizuálně upozorní obsluha, ale bod se i přesto zapíše.

Takto jsou zapisovány jednotlivé body do pole bodů, dokud nepřejde program do dalšího stavu (stav =3).

Ve stavu tři probíhá již zmíněný dialog s obsluhou: nastavení rychlosti, volání metody parametrizace a volba počtu opakování. Obdobně jako u předdefinovaných cviků se lineární pohyb provádí ve for cyklu s tím rozdílem, že pohyb je volán pomocí příkazu moveAsync. Použitím tohoto příkazu se z jednotlivých lineárních pohybů vytvoří komplexní pohyb, který lineárně projíždí volané body pomocí aproximované dráhy.

3. Závěr

V této práci je rozebrána problematika rehabilitace, průmyslových robotů, ale předně senzitivních robotů a jejich využití pro účely rehabilitace. Dosavadní experimenty s asistovanou rehabilitací pomocí robotů jsou velmi pozitivní. Až se roboty začnou využívat pro širokou veřejnost ve většině rehabilitačních centrech, tak se jistě bude moci navýšit počet přijatých pacientů bez navýšení lékařského personálu, kterého je v dnešní době nedostatek.

Roboti KUKA iiwa se programují v jazyce Java přes vývojové prostředí KUKA Sunrise.OS, které je uživatelsky přívětivé a programování velmi usnadňuje vytvořenými knihovnami a třídami. Tato práce ukazuje dvě možnosti využití robota KUKA iiwa v oblasti rehabilitace. První možností je vykonávání předdefinovaných cviků, u kterých obsluha pouze parametrizuje pohyb pro konkrétního pacienta. Druhá možnost je samotné definování cviku obsluhou pomocí ručního vedení.

Práce obsahuje i diskuzi nad výhodami a nevýhodami využití lineárního či nelineárního pohybu robota s ohledem na asistování pacientovi při vykonávání cviku. Vytvořená aplikace využívá lineárního pohybu, který sebou nese značná omezení při definování dráhy. Výhodou je pak parametrizace a řízení rychlosti rehabilitačního madla tudíž i pacientovy paže.

Seznam použité literatury

[1] ZHOU, Shou-Han, Justin FONG, Vincent CROCHER, Ying TAN, Denny OETOMO a Iven MAREELS. Learning control in robot-assisted rehabilitation of motor skills – a review. Journal of Control and Decision, [2016], 3:1, 19-43, DOI: 10.1080/23307706.2015.1129295

[2] Programming and Configuration of LBR iiwa: KUKA Sunrise.Operating System 1.x. Workshop LBR iiwa V3. Ausburg: KUKA Roboter, 2015.

[3] LBR iiwa: LBR iiwa 7 R800, LBR iiwa 14 R820. BA LBR iiwa V5. Ausburg:

KUKA Roboter, 2015.

[4] LBR iiwa Quick Start: First Steps. LBR iiwa Quick Start V5. Ausburg: KUKA Roboter, 2015.

[5] Neuron Rehabilitacja: Lokomat [online]. [cit. 2020-05-02].

Dostupné z: https://osrodekneuron.pl/en/lokomat-device/

[6] KOUBÍK, Roman. Léčebná rehabilitace a fyzioterapie v České republice [online]. 2014 [cit. 2020-05-02].

Dostupné z: https://medicina.ronnie.cz/c-20015-lecebna-rehabilitace-a- fyzioterapie-v-ceske-republice.html

[7] EUROHAPTICS. The premier European event in haptics [online]. 2016 [cit.

2020-05-02].

Dostupné z:https://web.stanford.edu/~allisono/icra2016tutorial/ICRA2016Tutori alBurdet.pdf

[8] CHAWDA, Vinay a Gunter NIEMEYER. Toward Torgue Control of a KUKA LBR IIWA for Physical Human-Robot Interaction [online]. [cit. 2020-05-02].

Dostupné z: https://s3-us-west-1.amazonaws.com/disneyresearch/wp-

content/uploads/20170930113021/Toward-Torque-Control-of-a-KUKA-LBR- IIWA-for-Physical-Human-Robot-Interaction-Paper.pdf

[9] HEMSWORTH, Michael. The KUKA LBR Med Robot Aids with Rehabilitation [online]. 2018 [cit. 2020-05-02].

Dostupné z: https://www.trendhunter.com/trends/kuka-lbr-med-robot

[10] CROWE, Steve. Rethink Robotics IP acquired by HAHN Group[online]. 2018 [cit. 2020-05-02].

Dostupné z: https://www.therobotreport.com/hahn-group-acquires-rethink- robotics-ip/

[11] KOLÁŘ, Pavel a Miloš MÁČEK. Základy klinické rehabilitace. Praha: Galén, [2015]. ISBN 978-80-7492-219-0.

[12] Media Flange: For Product Family LBR iiwa. Option Media Flange V3.

Ausburg: KUKA Roboter, 2015.

[13] Rethink Robotics [online]. [cit. 2020-05-02].

Dostupné z: https://www.rethinkrobotics.com/news/detail/more-durable-quieter- higher-quality-the-sawyer-black-edition

[14] Open Dog [online]. [cit. 2020-05-02].

Dostupné z: https://opendog.wordpress.com/tag/workspace/

[15] Robohub [online]. [cit. 2020-05-13].

Dostupné z: https://robohub.org/3-types-of-robot-singularities-and-how-to- avoid-them/