Mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne zbudowane na bazie pozycjonera planarnego*

STRESZCZENIE: Przedstawiono rozwiązanie mechatronicznego urządzenia rehabilitacyjnego wspomagającego bierne i aktywne ćwiczenia osób z dysfunkcjami ruchowymi kończyny górnej w obrębie stawu łokciowego i barkowego. Bazą do stworzenia tego rozwiązania był mechatroniczny pozycjoner planarny z łożyskowaniem aerostatycznym, zintegrowany z autorskim oprogramowaniem i specjalnym systemem sterującym. Zastosowanie w pozycjonerze sprężonego powietrza – jako czynnika smarującego – praktycznie eliminuje opory tarcia, będące główną przyczyną drgań relaksacyjnych w układzie. Ponadto zaprezentowano wybrane rozwiązania urządzeń do ćwiczeń biernych i aktywnych. Opisano budowę i zasadę działania współrzędnościowego pozycjonera planarnego, a także elementy zbudowanego systemu przeznaczonego do wspomagania terapii prowadzonej przez rehabilitanta. System w podstawowej konfiguracji umożliwia zadawanie ruchów w płaszczyźnie poziomej, z dopasowaniem ich właściwych trajektorii, dla określonych wartości prędkości i przyspieszenia. W konfiguracji rozszerzonej (dzięki możliwości umieszczenia pozycjonera planarnego na blacie stołu rehabilitacyjnego, pozwalającego na zmianę kąta nachylenia pozycjonera względem osoby ćwiczącej) ruch roboczy kończyny może być realizowany również w płaszczyźnie pionowej, co wydaje się istotne w przypadku niektórych form rehabilitacji.

SŁOWA KLUCZOWE: urządzenie mechatroniczne, rehabilitacja, pozycjoner planarny

ABSTRACT: This article presents a mechatronic solution of a rehabilitation devices supporting active and passive exercises for persons with motor dysfunctions of the upper limb in the area of the elbow and shoulder joints. A mechatronic planar positioner with aerostatic lubrication (aerostatic bearing), integrated with original software and a control system, served as the basis for creating the present solution. The application of compressed air as a lubricant practically eliminates frictional resistance, which is the main cause of relaxation oscillations in the system. Selected solutions of devices for active and passive exercises are presented. The design and operating principle of the planar coordinate positioner are described. Next, the components of the designed system for supporting therapy conducted by a rehabilitation specialist are presented. In its basic configuration, the system enables the performance of movements in the horizontal plane with adjustment of their proper trajectories, at preset values of speed and acceleration. In the expanded configuration, thanks to the possibility of placing a planar positioner on the top of a rehabilitation table that would provide the capability of changing the positioner’s angle of inclination relative to the exercising person, the limb’s working movement can also be performed in the sagittal (vertical) plane, which may be important in certain forms of rehabilitation.

KEYWORDS: mechatronic system, rehabilitation process, planar positioning system

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

• 1. Trochimczuk R., Kuźmierowski T. „Kinematic analysis of CPM machine supporting to rehabilitation process after surgical knee arthroscopy and arthroplasty”. International Journal of Applied Mechanics and Engineering. Vol. 19, No. 4 (2014): pp. 841÷848.
• 2. Huścio T. „Płaska aerostatyczna podpora współrzędnościowa z elektromagnetycznym napędem jako urządzenie haptyczne do terapii kończyny górnej”. Białystok: Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, 2014: s. 153÷160.
• 3. Huścio T. „Haptic devices based on planar stepping motor”. Solid State Phenomena. Durnten-Zurich: Trans-Tech Publication, 2013: pp. 372÷377.
• 4. Kuźmierowski T., Trochimczuk R. „Application of planar positioning system in selected mechatronic structure”. International Journal of Applied Mechanics and Engineering. Vol. 17, No. 4 (2012): pp. 1377÷1384.
• 5. Trochimczuk R. „Mechatroniczne pozycjonowanie wiązki lasera impulsowego w urządzeniach do formowania obiektów trójwymiarowych w szkle”. Rozprawa doktorska. Kraków: AGH, 2009.
• 6. Strona internetowa: http://www.zdrowapolka.pl/category/dla-twojego-zdrowia-cwiczenia-i-rehabilitacja-reki-dloni-palcow/2 (dostęp: 26.05.2015).
• 7. O’Driscoll S.W., Giori N.J. „Continuous passive motion (CPM): theory and principles of clinical application”. Journal of Rehabilitation Research and Development. Vol. 37, No. 2 (2000): pp. 179÷188.
• 8. Saringer J. „Engineering aspect of the design and construction of continuous passive motion device for humans”. Salter R. „Continuous Passive Motion: A Biological Concept for the Healing and Regeneration of Articular Cartilage, Ligaments, and Tendons”: From Origination to Research to Clinical. Baltimore: Williams&Wilkins, 1993.
• 9. Jin, XueJun et al. „Workspace analysis of upper limb for a planar cable-driven parallel robots toward upper limb rehabilitation”. Control, Automation and Systems (ICCAS). 14th International Conference on. IEEE. (2014): pp. 352÷356.
• 10. Kaewboon W., Phukpattaranont P., Limsakul Ch. „Upper limbs rehabilitation system for stroke patient with biofeedback and force”. Biomedical Engineering International Conference (BMEiCON). 6th. IEEE. (2013): pp. 1÷5.
• 11. Jeong-Ho Park, Kyoung-Soub Lee, Kyeong-Hun Jeon, Dong-Hyun Kim, Hyung-Soon Park. „Low cost and light-weight multi-DOF exoskeleton for comprehensive upper limb rehabilitation”. Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI) – 11th International Conference. 12÷15 Nov. 2014: pp. 138–139.
• 12. Yong-Kwun Lee. „Design of exoskeleton robotic hand/arm system for upper limbs rehabilitation considering mobility and portability”. Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI). 11th International Conference. 12÷15 Nov. 2014: pp. 540÷544.
• 13. Pignolo L., Dolce G., Basta G., Lucca L.F., Serra S., Sannita W.G. „Upper limb rehabilitation after stroke: Aramis a „robomechatronic” innovative approach and prototype”. 4th IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob), Roma, Italy. June 24÷27 2012: pp. 1410÷1413.
• 14. T. Huścio, Falkowski K. „Modeling of magnetic attraction force of electromagnetic module in a relative base-air-gap-absolute base system”. Solid State Phenomena. Zurich: Trans Tech Publications, 2009.
• 15. Kiwerski J. „Fizjoterapia ogólna”. Warszawa: PZWL, 2012.
• 16. Kwolek A. (red.). „Rehabilitacja medyczna”. T. 1–2. Wrocław: Elsevier Urban & Partner, 2011÷2013.
• 17. Garrison S.J. „Podstawy rehabilitacji i medycyny fizykalnej”. Warszawa: PZWL, 1997.
• 18. Zembaty A. (red.). „Kinezyterapia”. T. 1–2. Kraków: Wydawnictwo Kasper, 2002÷2003.
• 19. Wiercioch W. „Konstrukcja i zastosowanie prowadnic aerostatycznych”. Mechanik. Nr 4 (1981).
• 20. Wiercioch W. „Parametry konstrukcyjno-technologiczne aerostatycznych połączeń prowadnicowych”. Trybologia. Nr 3 (1988).
• 21. Huścio T. „Modelowanie płaskich podpór pneumatycznych z napędem elektromagnetycznych”. Rozprawa doktorska. Białystok: Politechnika Białostocka, 2009.
• 22. Serwis internetowy firmy EgzoTech: www.egzotech.com (dostęp: 29.06.2015).

DOI: http://dx.doi.org/10.17814/mechanik.2015.10.519