Desarrollo de un Sistema Haptico paraTerapia Ocupacional.

Alumna: Areil Guadalupe Robles Mendoza.Asesores: Dra. Isela Bonilla Gutierrez, Dr. Marco O. Mendoza Gutierrez.

Maestrıa en Ingenierıa Electronica, Universidad Autonoma de San Luis PotosıSegundo Avance de Tesis

Mayo de 2017

1. Introduccion.La rehabilitacion es un aspecto muy importante en la recuperacion de las personas que sufren algun tipo

de discapacidad el cual les permite mejorar en gran medida su calidad de vida. Es por eso que en los ultimosanos se han estado desarrollando bastantes alternativas en el area de la rehabilitacion haciendo uso de nuevastecnologıas. Se ha comprobado que al utilizar sistemas roboticos en esta area se pueden obtener grandes mejorascon respecto a los metodos de terapia tradicionales, y se ha probado su eficiencia mediante diversos estudiosclınicos [1–7].

En este trabajo de tesis se desarrollara un sistema que servira como auxiliar en las rutinas de TerapiaOcupacional. El prototipo es un sistema haptico que permitira manipular objetos virtuales, para desempenardiferentes rutinas de terapia ocupacional.

El presente reporte se divide en 6 secciones. En la seccion 2 se describe el diseno mecanico del exoesqueletoası como su analisis cinematico. Despues, en la seccion 3 se describe el sistema de control del exoesqueleto y lasetapas que lo componen. En la seccion 4 se muestran algunos resultados que se han logrado obtener hasta elmomento y luego, en la seccion 5, se mencionan las conclusiones que se han obtenido con el trabajo realizado,ası como una descripcion del trabajo que queda por realizar. En la seccion 6 se muestra el cronograma deactividades y, por ultimo, se numeran algunas fuentes bibliograficas utilizadas para el desarrollo de este trabajo.

1.1. Objetivo.El objetivo principal de este proyecto es desarrollar un sistema haptico cuya aplicacion sea la manipulacion

de objetos virtuales para simular actividades de Terapia Ocupacional.

2. Desarrollo del exoesqueleto.El objetivo del exoesqueleto es permitir al usuario realizar movimientos que le sirvan para desempenar

rutinas de Terapia Ocupacional, la mayorıa de los cuales involucran diferentes tipos de agarres y pinzas.Segun [8], existen tres tipos de agarres diferentes que son los mas utilizados en la vida cotidiana, los cuales

son:

1

Cilındrico: En el cual la mano envuelve completamente al objeto, provee firme sujecion pero no facilitaninguna manipulacion fina.

Lateral: En el cual los dedos y el pulgar se unen de la misma forma que en una pinza de dos dedos parasujetar el objeto. Las puntas de los dedos se usan para sujetarlo, lo que permite sujetar superficies planasde manera firme.

De precision: En el cual el objeto agarrado se sostiene entre las puntas de los dedos. Esto permite un gradode manipulacion maximo. Se pueden realizar pequenos movimientos de traslacion y rotacion al mover laspuntas de los dedos, sin embargo, el objeto no se puede sujetar firmemente.

Por lo tanto, el diseno del exoesqueleto debe permitir al usuario realizarlos.

2.1. Diseno del mecanismo.Se opto por emplear mecanismos de cuatro barras en el diseno del exoesqueleto, ya que, aunque simples,

este tipo de mecanismos son bastante versatiles y son los mas utilizados para gran cantidad de aplicaciones.Ademas, este tipo de mecanismos nos ayuda a evitar singularidades y se ha comprobado su funcionalidad paraaplicaciones similares a esta en [9].

El diseno de la estructura del exoesqueleto debe permitir realizar tanto agarres que involucren todos losdedos de la mano, como agarres de precision que involucran solo el pulgar y el ındice, los cuales son suficientespara realizar varias tareas de Terapia Ocupacional.

El exoesqueleto esta compuesto por dos mecanismos de cuatro barras (Figura 1). El primero de ellos vaunido al conjunto de los dedos menique, anular y medio (Ver Figura 1(a) y 1(b)), mientras que el segundo vaunido al dedo ındice (Ver Figura 1(c) y 1(d)). Tambien cuenta con un tercer mecanismo compuesto por unaplaca unida al pulgar.

Cada uno de los mecanismos de cuatro barras esta actuado por dos motores de corriente directa, mientrasque el mecanismo del pulgar esta actuado por un solo motor.

Los mecanismos que se disenaron estan compuestos, como se muestra en la Figura 1, por 4 eslabones (1-4),una base para los motores (7), una base de sujecion para los dedos (6) y un eslabon de union (5), el cual une eleslabon 4 y la base de sujecion para los dedos.

(a) (b) (c) (d)

Figura 1: Diseno de las piezas y ensamblaje de los mecanismos que conforman el exoesqueleto realizados en elsoftware de diseno Solid Works.

En la Figura 1 podemos observar los mecanismos desarrollados, el diseno de las piezas y ensamblaje de lasmismas se realizo en el software de diseno SolidWorks.

2.2. Analisis cinematico.En esta seccion se presenta el analisis cinematico tanto directo como inverso, que caracterizan el movimiento

de los mecanismos del exoesqueleto. La cinematica directa nos sirve para determinar la posicion y orientaciondel extremo final del mecanismo en funcion de las coordenadas articulares de sus actuadores. Mientras que lacinematica inversa nos permite determinar el valor de las coordenadas articulares en funcion de la posicion yorientacion del extremo final del mecanismo.

2.2.1. Cinematica directa.

Para realizar el analisis cinematico directo se utilizaron los sistemas de referencia que se presentan en laFigura 2.

2

Figura 2: Diagrama utilizado para realizar el analisis cinematico directo del mecanismo.

Como se puede observar, el mecanismo consta de cuatro eslabones, los cuales se denotan en la Figura 2 comol1, l2, l3 y l4. Los angulos responsables del movimiento del mecanismo se denotan como q1 y q2.

Para el calculo de la cinematica directa se hace uso de matrices de transformacion homogenea, las cualessirven para representar la posicion y orientacion de un sistema rotado y trasladado con respecto a un sistemafijo.

El primer paso es establecer un sistema de referencia fijo en el origen, el cual se denota como (x0, y0, z0),despues, se deben aplicar las transformaciones necesarias para llegar al siguiente eslabon, en este caso se requierede una rotacion del angulo q2 con respecto al eje x0 y una traslacion a lo largo de l1 sobre el eje y0. Por lo tanto,la matriz de transformacion resultante es:

A10 = Rot(x0, q2) · Trasl(y0, l1)

=

1 0 0 00 cos q2 − sen q2 00 sen q2 cos q2 00 0 0 1

1 0 0 00 1 0 l10 0 1 00 0 0 1

(1)

=

1 0 0 00 cos q2 − sen q2 l1 cos q20 sen q2 cos q2 l1 sen q20 0 0 1

Posteriormente, se debe alinear el nuevo marco de referencia (x1, y1, z1) con el del siguiente eslabon. Para

lograr esto, se debe realizar una rotacion de π − (q2 − q1) respecto al eje x1 y posteriormente una traslacion del4 − l2 sobre el eje y1, a la cual llamaremos l5. Por lo tanto, la matriz de transformacion resultante es:

A21 = Rot(x1, π − (q2 − q1)) · Trasl(y1, l5)

=

1 0 0 00 cos(π + q1 − q2) − sen(π + q1 − q2) 00 sen(π + q1 − q2) cos(π + q1 − q2) 00 0 0 1

1 0 0 00 1 0 l50 0 1 00 0 0 1

(2)

=

1 0 0 00 − cos(q1 − q2) sen(q1 − q2) −l5 cos(q1 − q2)0 − sen(q1 − q2) − cos(q1 − q2) −l5 sen(q1 − q2)0 0 0 1

Por ultimo, para obtener la matriz de transformacion homogenea H que representa el modelo cinematico

directo del exoesqueleto, se hace la multiplicacion de las ecuaciones (1) y (2), con lo que se obtiene la siguienteexpresion:

3

H = A10 ·A2

1

=

1 0 0 00 − cos q1 sen q1 l1 cos q2 − l5 cos q10 − sen q1 − cos q1 l1 sen q2 − l5 sen q10 0 0 1

(3)

Esta matriz representa la postura del mecanismo y con ella se pueden calcular las coordenadas (x, y, z) delefector final a partir de conocer los angulos q1 y q2.

2.2.2. Cinematica inversa.

Para realizar el analisis cinematico inverso se considera la representacion grafica del exoesqueleto que sepresenta en la Figura 3.

Figura 3: Diagrama utilizado para realizar el analisis cinematico inverso del mecanismo.

En el diagrama se puede observar que el angulo q2 esta dado por:

q2 = π − α− β (4)

para obtener el valor de α se hace uso de la ley de cosenos:

l52 = l1

2 + zm2 + ym

2 − 2l1√zm

2 + ym2 cosα (5)

donde l5 = l4 − l2,despejando α de (5) se tiene:

α = cos−1

(l1

2 + zm2 + ym

2 − l52

2l1√zm

2 + ym2

)(6)

Para obtener el angulo β utilizamos la funcion tangente:

β = tan−1(zm

2

−ym2

)(7)

De la Figura 3 se puede observar que el angulo γ = q2 − q1, y ademas, que δ = γ, por lo tanto, al conocer elvalor de q2 se puede calcular q1 de la siguiente manera:

q1 = q2 − δ (8)

Ası, a partir de conocer las coordenadas del extremo final del mecanismo (ym, zm), se pueden llegar a conocerlos angulos q1 y q2.

4

3. Sistema de control.El sistema de control del exoesqueleto consta de varias etapas las cuales se describiran en esta seccion.

3.1. Adquisicion de senales electromiograficas.Una etapa importante para el sistema de control del exoesqueleto es la deteccion de las acciones de flexion

y extension de la mano, ya que con esta informacion se decidira el sentido del movimiento del exoesqueleto, yasea para abrir o para cerrar la mano. Ademas, esta informacion servira tambien en el proceso de proporcionaral usuario la sensacion haptica al momento de interactuar con los objetos virtuales.

En las primeras pruebas se hizo uso de electrodos conectados a los musculos del antebrazo responsables dela flexion y extension de los dedos, los cuales son el flexor digitorum y el extensor digitorum respectivamente.Sin embargo, los electrodos presentan la desventaja de desgastarse rapidamente y, por lo tanto, la necesidadde usar un par nuevo cada vez para asegurar su correcto funcionamiento. Ademas, las lecturas de las senalespueden variar mucho de una adquisicion a otra si los electrodos no se colocan exactamente en la misma posicion,lo cual es difıcil de lograr y esto podrıa ocacionar errores importantes en el funcionamiento del sistema.

Por lo tanto, se opto por utilizar una pulsera de reconocimiento de gestos Myo Armband desarrollada porThalmic Labs, esta se coloca simplemente deslizandola por el antebrazo, proporcionando mayor portabilidad alsistema. La pulsera cuenta con ocho sensores electromiograficos integrados que nos permiten obtener informacionde la actividad muscular del antebrazo y, con ella, detectar cuando el usuario realiza la accion de abrir o cerrarla mano.

Para obtener la informacion de los sensores fue necesario adquirir un modulo bluetooth ble, el cual escompatible con el modulo bluetooth integrado de la pulsera. Ademas, fue necesario cargar el modulo bluetoothcon un firmware especialmente disenado para poder establecer una conexion con ella, ya que ningun modulocon su firmware de fabrica tiene las caracterısticas necesarias para conectarse directamente con la pulsera.

Una vez establecida la conexion entre la pulsera y el modulo bluetooth, es posible enviar comandos y recibirinformacion de los sensores con una tarjeta Arduino, mediante una librerıa llamada myobridge, la cual, al igualque el firmware utilizado en el modulo bluetooth, fueron creados por uno de los usuarios de Thalmic, la empresaencargada de desarrollar la pulsera, y fueron obtenidos de [10]. En la Figura 4 se muestra un diagrama a bloquesque ilustra como se realiza de manera general la adquisicion de las senales elelctromiograficas a traves de lossensores integrados en la pulsera.

Figura 4: Diagrama a bloques de la adquisicion de las senales electromiograficas del antebrazo.

3.2. Etapa de control.Como se menciono anteriormente en la seccion 2, cada uno de los mecanismos de cuatro barras que componen

el exoesqueleto esta actuado por dos motores. El control de los motores se realiza siguiendo el algoritmo que seilustra en la Figura 5.

5

Figura 5: Algoritmo de control del exoesqueleto.

El primer paso es calcular la posicion de los ejes de los motores, la cual esta dada en grados y 360 gradosrepresentan una revolucion del eje. La posicion se calcula con la informacion proporcionada por un encoderconectado al eje del motor. El encoder entrega 3591.81 pulsos por revolucion del eje, por lo que la posicion delmismo se calcula utilizando la ecuacion (9):

posicion = pulsos · 3603591,84 . (9)

Una vez obtenida la posicion de cada motor, se calcula la posicion del efector final del mecanismo mediantela cinematica directa del mismo, la cual fue presentada en la seccion 2.2.1.

Luego se obtienen las coordenadas de la posicion del objeto virtual por medio de la interfaz visual, esta esla posicion objetivo a la que el efector final del mecanismo debe llegar para tocar el objeto virtual.

Posteriormente, se debe calcular la nueva posicion que debe tener cada uno de los motores para lograr queel efector final del mecanismo llegue a la posicion deseada. Esto se logra por medio de la cinematica inversa, lacual fue presentada en la seccion 2.2.2. Esta nueva posicion sera el setpoint que servira como parametro parael controlador. Asimismo, se debe obtener la lectura del sensor electromiografico para estimar la intencion delusuario y reajustar el sentido de movimiento del exoesqueleto.

Por ultimo, se hace uso de un controlador PID, el cual se describira en la seccion 3.3 para calcular la senalque se enviara a un puente H para manejar los motores y que realicen el movimiento deseado.

En la Figura 6 se muestra un diagrama a bloques que ilustra de manera general el sistema de control delexoesqueleto.

Figura 6: Diagrama del sistema de control del exoesqueleto.

3.3. Controlador.Para lograr que los motores realicen el movimiento adecuado, se utilizo un control PID mediante la librerıa

PID de arduino. La librerıa toma siete parametros, los cuales son:

Input: La variable a controlar.

Output: La variable que sera ajustada a traves del controlador.

6

Setpoint: El valor al que queremos que la entrada se ajuste.

Kp: Ganancia proporcional.

Ki: Ganancia integral.

Kd: Ganancia derivativa.

Direction: Puede ser DIRECT o REVERSE y determina la direccion en la que se movera la salida.

Figura 7: Algoritmo PID.

La funcion Compute(), la cual es parte de la librerıa PID, es la que contiene el algoritmo PID, el cual seilustra en la Figura 7. Esta funcion se usa para calcular la salida del controlador en funcion de los parametrosde entrada en cada ciclo.

En este caso, la entrada del controlador es la posicion del eje del motor, la cual es obtenida por medio delencoder conectado al mismo. Las ganancias del controlador se seleccionaron de manera empırica para lograrque el motor realice un movimiento suave y que llegue a la posicion objetivo con un error mınimo. La salida delcontrolador se conecta directamente a un puente H que maneja al motor.

Los valores seleccionados para las ganancias fueron:Proporcional: Kp = 5.

Integral: Ki = 6.

Derivativa: Kd = 2.5.

4. Resultados.En este periodo, se realizo el diseno de las piezas que componen los mecanismos que forman parte del

exoesqueleto. Con la finalidad de validar el diseno se imprimieron las piezas que componen el primer mecanismo,el cual va unido al conjunto de los dedos menique, anular y medio. La impresion de las piezas se hizo en laimpresora 3d Cubepro de 3d Systems. En la Figura 8 se muestra el mecanismo ensamblado.

Figura 8: Mecanismo de cuatro barras que va unido a los dedos menique, anular y medio.

7

En cuanto al control del exoesqueleto, se implemento el algoritmo propuesto considerando solamente unmotor y emulando datos como las posiciones deseadas y la lectura de los sensores electromiograficos (Figura 9).

Figura 9: Algoritmo de control de prueba para un motor.

En la Figura 10 se muestran los resultados obtenidos de la prueba de control con un motor. Se observa queen un inicio, la posicion del eje del motor se encuentra en cero. Despues se establece una nueva posicion deseadapara el eje del motor, la cual sera el setpoint del controlador. Se observa que el controlador logra en la mayorıade los casos que el motor alcance la posicion deseada con un error menor a dos grados.

Figura 10: Resultados de la prueba de control con un motor.

8

5. Conclusiones y trabajo a futuro.Hasta el momento, ya se tiene el diseno de los mecanismos que componen el exoesqueleto, y ya se construyo

uno de ellos. Tambien se tiene el diseno del controlador de los actuadores el cual se ha probado individualmentepara comprobar que funcione de la manera deseada. En cuanto a la interfaz visual, en el avance anterior sepresento un entorno virtual muy sencillo con el cual se realizaran las pruebas preliminares para comprobar elfuncionamiento del exoesqueleto.

Como trabajo a futuro se tiene:

Imprimir y construir el mecanismo que va unido al ındice, ası como el que va unido al pulgar.

Probar el control considerando el total de motores por mecanismo, ası como incluir las senales electro-miograficas y de los sensores de posicion.

Integrar todas las etapas para conformar el sistema haptico, considerando la interfaz visual que se diseno.

Realizar las pruebas experimentales finales.

Realizar la escritura de un artıculo para congreso en el mes de julio.

Concluir la escritura de la tesis.

6. Cronograma.

Tabla 1: Cronograma de actividades.

Referencias[1] H. I. Krebs, N. Hogan, M. L. Aisen, and B. T. Volpe, “Robot-aided neurorehabilitation,” IEEE Transactions

on Rehabilitation Engineering, vol. 6, no. 1, pp. 75–87, Mar 1998.

[2] M. L. Aisen, H. I. Krebs, N. Hogan, F. McDowell, and B. T. Volpe, “The effect of robot-assisted therapyand rehabilitative training on motor recovery following stroke,” Archives of neurology, vol. 54, no. 4, pp.443–446, 1997.

[3] M. Ferraro, J. Palazzolo, J. Krol, H. Krebs, N. Hogan, and B. Volpe, “Robot-aided sensorimotor armtraining improves outcome in patients with chronic stroke,” Neurology, vol. 61, no. 11, pp. 1604–1607,2003.

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[4] J. Stein, H. I. Krebs, W. R. Frontera, S. E. Fasoli, R. Hughes, and N. Hogan, “Comparison of two techni-ques of robot-aided upper limb exercise training after stroke,” American Journal of Physical Medicine &Rehabilitation, vol. 83, no. 9, pp. 720–728, 2004.

[5] P. S. Lum, C. G. Burgar, and P. C. Shor, “Evidence for improved muscle activation patterns after retrainingof reaching movements with the mime robotic system in subjects with post-stroke hemiparesis,” IEEETransactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 12, no. 2, pp. 186–194, 2004.

[6] R. Colombo, F. Pisano, S. Micera, A. Mazzone, C. Delconte, M. C. Carrozza, P. Dario, and G. Minuco,“Robotic techniques for upper limb evaluation and rehabilitation of stroke patients,” IEEE transactions onneural systems and rehabilitation engineering, vol. 13, no. 3, pp. 311–324, 2005.

[7] M. J. Johnson, H. M. Van der Loos, C. G. Burgar, P. Shor, and L. J. Leifer, “Experimental resultsusing force-feedback cueing in robot-assisted stroke therapy,” IEEE Transactions on Neural Systems andRehabilitation Engineering, vol. 13, no. 3, pp. 335–348, 2005.

[8] D. Lyons, “A simple set of grasps for a dextrous hand,” in Robotics and Automation. Proceedings. 1985IEEE International Conference on, vol. 2. IEEE, 1985, pp. 588–593.

[9] V. I. R. Vera, “Diseno de un exoesqueleto para rehabilitacion de mano controlado por electromiografıa,”Enero 2017.

[10] “A high-level arduino library and custom firmware for the hm-11 (cc2541 soc) to enable direct myo armbandand arduino communication.” https://github.com/vroland/MyoBridge, accessed: 2017-03-30.

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