A BIOMECHATRONIC EPP UPPER-LIMB PROSTHESIS AND ITS PERFORMANCE COMPARISON TO OTHER CONTROL TOPOLOGIES

Abstract

Η τεχνολογία των προσθετικών άνω άκρων έχει αλλάξει άρδην τα τελευταία χρόνια. Οι διαθέσιμες συσκευές και αυτές που είναι υπό εξέλιξη προσεγγίζουν όλο και περισσότερο την λειτουργικότητα του ακρωτηριασμένου άκρου. Παρ’ όλα αυτά, λόγω έλλειψης ανάδρασης της κατάστασής τους, αποτυγχάνουν να ενεργοποιήσουν την ιδιοδεκτική αισθητικότητα του ακρωτηριασμένου. Η Εκτεταμένη Φυσιολογική Ιδιοδεκτικότητα (Extended Physiological Proprioception-ΕΡΡ) προσφέρει την δυνατότητα ασυναίσθητου ελέγχου θέσης του άκρου, καθώς τα σήματα ανάδρασης που παρέχει στον ακρωτηριασμένο, ενεργοποιούν την ιδιοδεκτική του αισθητικότητα. Στα μειονεκτήματα, η απευθείας μηχανική σύνδεση με το προσθετικό άκρο, μέσω ντιζών, έχει αποδειχθεί αισθητικά μη αποδεκτή από τους χρήστες, ενώ απαιτείται και ειδικό χειρουργείο κινησιοπλαστικής. Τα παραπάνω οδήγησαν σταδιακά στην εγκατάλειψη της μεθόδου αυτής. Στο Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών έχει προταθεί μια νέα τοπολογία EPP, που ονομάστηκε Biomechatronic EPP, η οποία δεν απαιτεί τη χρήση ντιζών και χειρουργείου κινησιοπλαστικής. Ο πυρήνας της πρότασης αυτής βασίζεται στην τεχνολογία της τηλερομποτικής και του τηλεχειρισμού. Στο προτεινόμενο σύστημα, εφαρμόζεται ένα master-slave σχήμα ελέγχου θέσης-δύναμης το οποίο περιλαμβάνει την εμφύτευση γραμμικών επενεργητών οι οποίοι συνδέονται σε σειρά κατά τη διάρκεια του χειρουργείου ακρωτηριασμού με τους εναπομείναντες μύες, αποτελώντας τα κύρια (master) ρομπότ του συστήματος τηλεχειρισμού και τη χρήση ενός προσθετικού άκρου, που είναι το ρομπότ υπηρέτης (slave). Το εμφυτευμένο ρομπότ δέχεται ένα σήμα δύναμης από τον μύ στον οποίο είναι προσδεμένο. Αυτή η εντολή δύναμης μεταδίδεται ασύρματα στο ρομπότ υπηρέτη, το οποίο κινείται στο χώρο. Αυτό μεταδίδει το σήμα ανάδρασης της θέσης του πίσω στον ελεγκτή του κυρίους ρομπότ, το οποίο με τη σειρά του κινείται. Ο ελεγκτής του συστήματος εγγυάται τη δυναμική σύζευξη των master και slave ρομπότ, ενεργοποιώντας την ιδιοδεκτική αισθητικότητα του ακρωτηριασμένου. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, παρουσιάζουμε μια πειραματική σύγκριση μεταξύ της προτεινόμενης τοπολογίας, της κλασσικής EPP διάταξης, μιας μυοηλεκτρικής μεθόδου ελέγχου και ενός ελεγκτή ροπής που δεν παρέχει ανάδραση. Περιγράφεται η πειραματική διάταξη, καθώς και η υλοποίηση των κατάλληλων ελεγκτών. Για την πειραματική σύγκριση των προαναφερόμενων μεθόδων ελέγχου χρησιμοποιήσαμε μια δοκιμασία επίτευξης στόχων, η οποία υλοποιήθηκε με βάση το νόμο του Fitts, ως ένα μοντέλο επίδοσης για τη σύγκριση διαφορετικών στρατηγικών ελέγχου άνω άκρων. Τα αποτελέσματα που παρήχθησαν μέσω της έρευνας και των πειραμάτων που διεξήχθησαν κατά την εκπόνηση της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας, αποδεικνύουν την ισοδυναμία της προτεινόμενης Biomechatronic EPP τοπολογίας ελέγχου σε σχέση με την κλασσική EPP διάταξη. Ακόμη, αναδεικνύουν την υπεροχή της έναντι των διατάξεων που δεν παρέχουν στο χρήστη αισθητική ανατροφοδότηση.