Development of Robot Based Rehabilitation Apparatus for Whiplash Injured Patients

Abstract

Firda fysikalsk-medisinsk senter (Firda Fysmed) har spesialisert seg på diagnostisering og rehabilitering av personer med nakkeskader. De opplever at dagens løsning, treningsapparatet Multi Cervical Unit (MCU), ikke gir tilbyr ønsket bevegelsesområde. Firda Fysmed startet et samarbeid med NTNU for å utvikle et nytt, forbedret og allsidig rehabiliteringsapparat for nakkeslengskadde pasienter. Tidligere oppgaver på prosjektet har utforsket ulike løsninger som resulterte i den nåværende ideen om å bruke en robotarm med en hjelm-aktig hodeinnfestning. En stol med tilhørende rammekonstruksjon for å sette roboten på ble også konstruert i den forrige oppgaven.

Denne oppgaven er en fortsettelse på det pågående prosjektet om å lage et rehabiliteringsapparat for nakkeslengskadde pasienter. Hovedfokuset har vært å utvikle et kontrollsystem for robotarmen Panda av Franka Emika, et brukergrensesnitt for å kontrollere roboten, og videreutvikle hodeinnfestningen som er koblet til roboten.

Etter å ha utviklet og testet ulike kontrollsystemer for roboten, ble en dynamisk modell det beste valget som kraft-kontroller i kartesisk rom for å styre roboten med minst mulig motstand. En kontroller for å rotere roboten ble også laget. Noen metoder for å begrense robotens bevegelse til å følge en forhåndsinnspilt bane ble også utviklet. Metoden som oppnådde best resultat brukte en algoritme for å finne det nærmeste punktet på en bane, og en PID kontroller for å begrense posisjonen til roboten. Denne metoden kombinert med en kraft-kontroller gjorde det lett å bevege roboten gjennom en innspilt bane. For å begrense leddposisjonene ble det utviklet en metode med en PID kontroller, slik at roboten påfører en jevn kraft hvis leddene nærmer seg ytterpunktene sine.

Brukergrensesnittet for kontroll av roboten ble utviklet i gtkmm og Glade. I brukergrensesnittet kan man ta opp en bestemt bevegelse, følge en begrenset bane og justere motstand. Verktøy som fremdriftsindikator, informasjon om robot status, telling av antall repetisjoner og graf som viser kraft påført av pasienten er implementert for å gjøre brukeropplevelsen bedre.

Det ble designet en ny hjelm som skal passe alle hodestørrelser og minimere avstanden fra hodet til roboten. Festemekanismen mellom hjelm og robot er re-designet med tanke på sikkerhet og minimering av slark. Den nye løsningen bruker magneter for å holde hjelmen og roboten sammen, noe som også tillater at hjelmen lett bryter av hvis roboten gjør en brå bevegelse.

For at produktet skal komme nærmere enn MVP, må den kartesiske robotkontrolleren og rotasjonskontrolleren gjøres mer stabil. Brukergrensesnittet har noe av funksjonaliteten som trengs, men må fullføres. Hjelmen må også re-designes slik at pasientens hode blir sikkert festet til roboten.

Firda Physical Medicine Centre (Firda Fysmed) is a medical clinic that specializes in whiplash injuries. They experience that the current rehabilitation apparatus in use, the Multi Cervical Unit (MCU), is not able to give the desired motion range. Firda Fysmed initiated a collaboration with NTNU to research into the development of a new, improved and versatile rehabilitation apparatus for whiplash injured patients. Previous theses have explored various motion platforms, resulting in the idea of using a robot arm with a helmet-like head mounting tool. A chair with a frame structure for mounting the robot arm was also constructed in the latest thesis.

This thesis is a continuation of the ongoing project of making a rehabilitation apparatus for whiplash injured patients. The main focus has been to develop a control system for the robotic manipulator Panda by Franka Emika, a user interface to control the robot, and further develop the head attachment connected to the robot.

After developing and testing different robot control systems, a dynamic model made the best force controller in the Cartesian space to make the robot move with very low resistance. A controller for the rotation of the end-effector was also made. A few methods for constraining the motion of the robot to a recorded path was also developed. The best method used an algorithm for finding the closest point on a path and a PID controller for constraining the end-effector position. With the force controller and this method, the robot was easy to move through any recorded path. A method for constraining the joint positions with a PID controller was developed to make the robot apply a smooth resistance if the joints approached their limit.

A user interface linking the user and the apparatus has been developed using gtkmm and Glade. The interface controls the different states of the robot and lets the user record movements and follow a constrained path. Functionality for performing an exercise with adjustable resistance, progress bar, and counter is also included.

A new helmet was designed with dimensions to fit all humans, with a thin-walled structure to minimize the distance from the head to the robot. A new helmet mounting mechanism using magnets was developed with a focus on safety and rigidity. The magnets make the connection between the helmet and the robot rigid and provide easy disconnection in case of a sudden movement from the robot.

To complete the MVP, the Cartesian force controller needs to be made more stable. The controller for rotation also needs to be improved. The user interface has some of the functionality needed in an MVP and needs to be finished, and the helmet needs to be redesigned to securely fasten the head of the patients.