Felső végtag kinematikai modelljének rekonstrukciója kétkaros rehabilitációs robot szerszámkoordináta-rendszerei alapján

Tool center point frame based reconstruction of the upper limb kinematic model in a dual-arm rehabilitation robot scenario

Abstract

During the rehabilitation of upper limb function loss caused by stroke, the reconstruction of the kinematic model of the limb is the basis for the automatic assessment of patients and the personalization of robotic physiotherapy exercises. The aim is to determine the permanent anatomical parameters of the model: forearm, upper arm and hand lengths, the variable anatomical parameters: shoulder, elbow, wrist positions, and then the anatomical angles. The kinematic model reconstruction presented here does not require prior manual measurement or external sensors data, only the data of the tool coordinate systems of each robotic arm connected to the forearm and hand via the elbow and hand orthoses. First, the reconstruction algorithm of the model is presented in a plane, in two dimensions, which is verified by a virtual limb model created in a CAD system. We then extend the reconstruction algorithm to three dimensions. The mathematical calculations are performed in Wolfram Mathematica system.

Kivonat

A stroke miatt bekövetkezett felső végtagi funkcióvesztés robotos gyógytornáztatással történő rehabilitációja során a végtag kinematikai modelljének rekonstrukciója a betegek automatikus állapotfelmérésének és a robotos gyógytorna gyakorlatok személyre szabásának alapja. A célul kitűzött feladat a modell állandó anatómiai paramétereinek: az alkar, a felkar, és a kézfej hosszának, valamint a változó anatómiai paramétereinek: a váll, a könyök, a csukló helyzetének, majd belőlük az anatómiai szögeknek a meghatározása. A bemutatott kinematikai modell rekonstrukcióhoz nincs szükség előzetes manuális felmérés vagy külső érzékelők által szolgáltatott adatokra, kizárólag az alkarhoz és kézfejhez a könyök, illetve kézfej ortéziseken keresztül csatlakozó egy-egy robotkar szerszámkoordináta-rendszereinek az adataira. Először síkban, két dimenzióban kerül bemutatásra a modell rekonstrukciós algoritmusa, amelyet CAD rendszerben előállított virtuális végtagmodellel ellenőrzünk. Ezt követően kiterjesztjük a rekonstrukciós algoritmust három dimenzióra. A matematikai számításokat Wolfram Mathematica rendszerben hajtjuk végre.