Control and Development of a Wearable Semi-Active Tremor Suppression Device

Abstract

Skjelvinger er en av de bevegelsesforstyrrelsene med høyest prevalens. De er definert som ufrivillig, rytmisk skjelving av kroppsdeler, som for eksempel i hender. De mest typiske formene for skjelvinger er essensiell tremor (ET) og skjelvinger forårsaket av Parkinsons syndrom (PD). Skjelvingene er ofte hemmende for dagligdags aktivitet, og mange opplever skjelvingene som sjenerende. I dag blir skjelvinger behandlet med medikamenter og nevrokirurgi, dessverre oppleves denne behandlingsformen ofte som inadekvat av pasientene.

Denne masteroppgaven er en del av et pågående studentprosjekt som utvikler et bærbart hjelpemiddel for å forhindre skjelvinger i hender. Målet med prosjektet er å lage et produkt som kan fungere som et supplement for personer som lider av skjelvinger. Som en del av utviklingsprosessen, søker denne masteroppgaven etter å implementere et tidligere utviklet skjelvedempende konsept på en robot manipulator. Konseptet, kalt dynamisk vibrasjons absorbere (DVA), ble testet som en passiv enhet i tidligere masteroppgaver. Denne masteroppgaven har som mål å videreutvikle konseptet til en semi-aktiv enhet. En robot manipulator har blitt tatt i bruk for å teste enheten og konseptet mer effektivt.

Arbeidet som er gjennomført i denne oppgaven består av et literatursøk på evaluering av skjelvinger; testing og validering av en tidligere implementasjon av en ”compliance”-kontroller for robotsystemet; systemdesign av dempesystemet; design, implementasjon, testing og validering av et komplett kontrollsystem for et robotisk dempesystem for skjelvinger, som inkluderer implementasjon av en ”admittance”-kontroller på robot manipulatoren; implementering og opprettelse av kommunikasjon i sanntid mellom en Arduino Uno og robotsystemet for å utvide systemet fra et passivt til et semi-aktivt system; og design av et ekseperimentell prosedyre for å teste metoden og oppsettes evne til å dempe skjelvinger og videre utforske effekten av et semi-aktivt system i motsetning til et passivt system.

Arbeidet viser til en vellyket implementasjon av systemet, men oppsettet har fortsatt et forbedringspotensial. Et nytt og forbedret hardware interface design er foreslått som et punkt under fremtidig arbeid, i tillegg til blant annet å utvikle en hybrid kontroller for compliance og admittance.

Tremors are one of the most prevalent movement disorders in the world. They cause involuntary rhythmic shaking of parts of the body, such as the hands. The most common types of tremors are essential tremor (ET) and tremors caused by Parkinson’s disease (PD). The tremors often impede daily activities, and many people experience the shaking as embarrassing. Treatment today consist of medications and neurosurgery, however they are often not perceived as adequate enough by patients.

This thesis is a part of an ongoing student project on the development of a wearable device for tremor suppression. The goal of the project is to create an aid that can be used as a supplement by people who suffer from tremors. As a part of the development process, this thesis aims to implement a previously developed tremor suppression concept on a robot manipulator. The concept, called a dynamic vibration absorber (DVA), was tested as a passive device in preceding master theses. In this thesis the concept is extended into a semi-active device. To be able to test the concept more efficiently, a robotic manipulator was utilised.

The work done in this thesis consists of a literature review on tremor assessment; testing and validation of an earlier implementation of a compliance controller for the robotic manipulator; system design of the tremor suppression system; design, implementation, test and validation of a complete control system for a robotic tremor suppression system, including implementation of an admittance controller on the robotic manipulator; implementing and establishing real-time communication between an Arduino Uno and the robotic manipulator to expand the system from a passive to a semi-active system; and a design of an experimental procedure to test the method and the setup’s ability to suppress tremors and investigate the effect of a semi-active system opposed to a passive one.

The work yields a successful implementation of the system, but the setup is still in a working phase, and must be improved. A new and improved design of the hardware interface is suggested as future work, in addition to a suggestion to develop a hybrid controller for compliance and admittance.