Transcript REALIZZAZIONE DI UN ROBOT PLANARE PER LA

3° CONGRESSO NAZIONALE DEL
COORDINAMENTO DELLA MECCANICA ITALIANA
Napoli, 30 Giugno – 1 Luglio2014
REALIZZAZIONE DI UN ROBOT PLANARE PER LA RIABILITAZIONE
POSTURALE DI PAZIENTI PEDIATRICI
A.Pacillia, F.Patanèa, S.Rossib, P.Cappaa
a
Dept. of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Rome “Sapienza”, e-mail:
[email protected]
b
Dept. of Economics and Management – Industrial Engineering, University of Tuscia, Viterbo; email: [email protected]
Parole chiave: Riabilitazione posturale; interfaccia aptica.
Il mantenimento della postura è un meccanismo complesso, pur nella sua apparente
naturalezza, ed è spesso compromesso in pazienti con patologie a carico del Sistema Nervoso Centrale
(SNC). Quest’ultimo, infatti, integra i numerosi input sensoriali, propriocettivi ed esterocettivi, ad esso
afferenti e, sulla base della loro elaborazione, realizza in ogni istante una configurazione dinamica di
equilibrio per l’intero apparato muscolo-scheletrico [1].
Negli ultimi decenni, la riabilitazione del mantenimento della postura ha acquistato
importanza crescente nel campo della neuro-riabilitazione ed ha conosciuto nuovi stimoli nella terapia
mediata da robot che si fonda sulla plasticità corticale ossia nella possibilità, da parte del SNC, di
apprendere o ri-apprendere determinate capacità, tra cui quella motoria [2]. Pertanto, negli ultimi
decenni, sono state introdotte sia nella routine clinica che in ambito di ricerca diverse piattaforme
robotiche aventi il duplice ruolo diagnostico e riabilitativo. Esse, inoltre, essendo in grado di fornire
specifiche perturbazioni al paziente, consentono di approfondire la conoscenza dei meccanismi fisiopatologici sottesi al mantenimento dell’equilibrio [3].
Tra i robot per la riabilitazione della postura presenti in letteratura [4] emerge l’assenza di una
piattaforma motorizzata traslante che abbia 2 gdl e, contemporaneamente, sia una interfaccia aptica,
cioè sia in grado di fornire al paziente un feedback in risposta alle sollecitazioni che egli stesso impone
al robot. Un dispositivo di questo tipo consentirebbe di somministrare ai pazienti terapie riabilitative
basate sulla esecuzione di compiti complessi, quali ad esempio la simulazione di un pavimento
scivoloso durante la camminata. Tutto ciò ha determinato l’utilità di progettare e realizzare una
piattaforma aptica traslante, a 2 gdl, destinata all’utilizzo da parte dei pazienti in età pediatrica presso
il MARlab (Movement Analysis and Robotics laboratory) dell’Ospedale Pediatrico “Bambino Gesù”
IRCCS di Palidoro (RM).
Dopo l’individuazione delle specifiche di progetto e la conseguente scelta dei componenti
meccanici, è seguita una fase preliminare di test per il loro dimensionamento; successivamente, la
piattaforma è stata disegnata in ambiente CAD e il risultato finale è quello di un robot cartesiano con
un’area di lavoro di 150x150 mm2 ed un profilo basso (170 mm), ideale per essere installata al di sotto
del pavimento (Figura 1). Al fine di rendere la piattaforma interattiva, è stato necessario sensorizzare
ciascuno dei due motori lineari a induzione magnetica con una cella di carico, così da quantificare
l’azione esercitata dal paziente sul robot. Infine, per realizzare una vera e propria interfaccia aptica, ai
motori controllati in velocità è stato associato un controllore di alto livello in grado di simulare una
molla a 2 gdl, con rigidezza K e costante di tempo selezionabili.
L’approccio alla realizzazione di questo prototipo, denominato SlideBiT2D, è quella di un
sistema aperto ed evolvibile, sia dal punto di vista dell’hardware che del software, pronto ad
accogliere nuove necessità espresse da parte del personale medico. Per questo si è deciso di installare
la rete di sensori e attuatori su bus di campo CAN, scegliendo quale master della rete un dispositivo
CANopen-compliant, che fosse però programmabile in ambiente LabVIEW. Il software è stato ideato
come articolato su tre livelli e ne sono stati sviluppati, ad oggi, i due inferiori, così da svincolare la
creazione di una interfaccia utente e la realizzazione di nuovi scenari riabilitativi da qualsiasi
conoscenza del CANopen, protocollo molto efficiente ma anche complesso da apprendere.
Figura 1 – Modello CAD della piattaforma traslante a 2 gdl.
A seguito della caratterizzazione delle prestazioni della piattaforma, l’introduzione del robot
nella routine clinica si articolerà in due fasi distinte. Durante la prima fase sarà condotto uno studio
pilota, dapprima con soggetti sani e poi con un ristretto numero di pazienti. Lo scopo di questi test è la
messa in punto dei motori e la regolazione fine dei parametri del controllore per raggiungere un
adeguato rendering aptico. Successivamente, la piattaforma sarà installata a livello del pavimento per
simulare, ad esempio, un pavimento scivoloso durante le prove di analisi del cammino.
Bibliografia
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Prange, G.B., et al., Systematic review of the effect of robot-aided therapy on recovery of the
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Patanè, F. and P. Cappa, A 3-DOF parallel robot with spherical motion for the rehabilitation
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