Αποτελεσματικοί αλγόριθμοι για την μελέτη και σχεδίαση παράλληλων ρομποτικών μηχανισμών με εφαρμογές στην φυσιοθεραπεία

Abstract

This dissertation is focused in the design of a robotic platform, capable to provides rehabilitation exercises to patients with ankle diseases. Initially, became a detailed search of the literature with regard to the structure and kinematics of the foot, and the existing approaches from the field of robotics and biomechanics. The subject of this dissertation is original so much for the research team what for the Department, so that was required extensive search of the literature and collaboration with experts from the field of biomechanics and physiotherapy. For the modelling of ankle articulation was used the regard of 2 axes. Moreover, experimental measurements were carried out in a group of human subjects in order to be completed a total of design requirements and specifications, for a robotic mechanism that will executes the movements of the foot. With regard to specifications that were established, the final conclusion showed important advantages of the hybrid parallel-serial approach, against a classic parallel robotic mechanism. Therefore, it was proposed a new and original robotic platform with hybrid parallel-serial structure and mechanic adaptation while its parametric design was carried out. This mechanism is superior in adaptability, safety, simplicity and cost against the precedents. Finally, was developed a method of identification of kinematics parameters of the ankle joint complex, which can be used for the tuning of a rehabilitation robot before the beginning of exercises. The problem was approached by the viewpoint of serial robots calibration. Because it is difficult to be measured the internal angles of foot rotations, we were initially tried the algebraic elimination of variables but the difficulty in the resultant calculation, led us to the application of a non-linear and a linear technique of points fitting to 3-dimensional circles. The method is also useful for the identification of kinematics parameters of more general biomechanisms with kinematics similar with that of a serial manipulator where it is not possible the measurement of certain quantities, as the angles of rotation inside the human body.

Η διατριβή επικεντρώνεται στη σχεδίαση μιας ρομποτικής πλατφόρμας, ικανής να παρέχει κινήσεις φυσιοθεραπείας σε ασθενείς με παθήσεις του αστραγάλου. Αρχικά έγινε λεπτομερής αναζήτηση της βιβλιογραφίας σχετικά με τη δομή και την κινηματική του ποδιού, και τις υπάρχουσες προσεγγίσεις από τον χώρο της ρομποτικής και της εμβιομηχανικής. Tο αντικείμενο της διατριβής είναι πρωτότυπο τόσο για την ερευνητική ομάδα όσο και για το Tμήμα, με συνέπεια να απαιτηθεί εκτεταμένη αναζήτηση στην βιβλιογραφία και συνεργασία με ειδικούς από τον χώρο της εμβιομηχανικής και φυσιοθεραπείας. Για την μοντελοποίηση της άρθρωσης του αστραγάλου χρησιμοποιήθηκε η θεώρηση των 2 αξόνων. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις σε σύνολο ανθρώπων για να συμπληρωθεί ένα σύνολο σχεδιαστικών απαιτήσεων και προδιαγραφών για μια ρομποτική συσκευή που θα εκτελεί τις κινήσεις του ποδιού. Με βάση τις προδιαγραφές που τέθηκαν, το τελικό συμπέρασμα κατέδειξε σημαντικά πλεονεκτήματα μιας υβριδικής παράλληλης-σειριακής προσέγγισης, έναντι ενός κλασικού παράλληλου ρομποτικού μηχανισμού. Έτσι προτάθηκε μια νέα και πρωτότυπη ρομποτική πλατφόρμα με υβριδική δομή και μηχανική προσαρμογή, και πραγματοποιήθηκε ο παραμετρικός σχεδιασμός της. Ο μηχανισμός αυτός υπερτερεί σε προσαρμοστικότητα, ασφάλεια, απλότητα και κόστος έναντι των προηγούμενων. Τέλος, αναπτύχθηκε μια μέθοδος αναγνώρισης των κινηματικών παραμέτρων της άρθρωσης του αστραγάλου, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση της ρομποτικής συσκευής πριν την έναρξη των ασκήσεων. Το πρόβλημα προσεγγίστηκε από την σκοπιά της βαθμονόμησης σειριακών ρομπότ. Επειδή είναι δύσκολο να μετρηθούν οι εσωτερικές γωνίες περιστροφής αρχικά δοκιμάστηκε η αλγεβρική απαλοιφή μεταβλητών αλλά η δυσκολία στον υπολογισμό της απαλοίφουσας οδήγησε στην εφαρμογή μιας μη γραμμικής και μιας γραμμικής τεχνικής ταιριάσματος σημείων σε 3-διάστατους κύκλους. H μέθοδος χρησιμεύει και για την βαθμονόμηση των παραμέτρων γενικότερων εμβιομηχανισμών όπου δεν είναι δυνατή η μέτρηση ορισμένων ποσοτήτων, όπως γωνιών περιστροφής εντός του ανθρώπινου σώματος.