Aktuální vydání

celé číslo

08

2020

Mozaika novinek a informací

Restart ekonomiky

celé číslo

Návrh protetické paže v prostředí Matlab & Simulink

Jen málo lidí si dovede představit, jak složité procesy probíhají mezi nervovou, mechanickou a smyslovou oblastí lidského těla při tak jednoduchém úkonu, jako je zvednutí balonku. K vytvoření umělé paže schopné přirozeného pohybu je nutné tyto systémy imitovat a zvládnout i jejich náročnou interakci. K dosažení stanoveného cíle byla využita nejnovější technika v oblasti pohonů, senzorů, mikroprocesorů a řídicího softwaru.
 
Pracoviště Applied Physics Laboratory (APL) na Univerzitě Johna Hopkinse v USA je jedním z nejvyspělejších výzkumných center v oblasti protetiky na světě. Projekty, které jsou zde řešeny, daleko překonávají funkční schopnosti běžných, v současnosti dostupných protéz. To se týká i projektu řešeného v rámci programu DARPA Revolutionizing Prostetics, který má za cíl vytvořit novou umělou horní končetinu. Řídicí algoritmus protézy bude v konečné verzi připojen k nervové soustavě člověka, takže protéza bude moci vykonávat běžné úkony s rychlostí, obratností a silou srovnatelnými se skutečnou paží. Bude tu i senzorická zpětná vazba pro vnímání síly, tlaku, teploty a dalších fyzikálních veličin (obr. 1).
 
Základním milníkem při práci na projektu byl vývoj virtuálního integrovaného prostředí (Virtual Integrated Environment – VIE) pro simulaci úplné končetiny. Prostření VIE bylo vytvořeno při použití nástrojů MATLABTM a Simulink od firmy MathWorks. Nástroj Matlab je interaktivní vývojové prostředí pro vědeckotechnické výpočty, návrh algoritmů a tvorbu aplikačních programů, zatímco Simulink je nadstavba prostředí Matlab určená pro modelování a simulaci dynamických systémů a jejich propojení s algoritmy a pro zpracování signálu a řízení. Nástroj Simulink je základní platformou pro metodu navrhování s použitím modelu (Model-Based Design). Využití těchto prostředků umožnilo spolupracovat několika týmům zaměřeným na specifické oblasti systému a dalším dvěma desítkám partnerských organizací.
 
Metoda Model-Based Design byla využita i při modelování mechaniky paže, ověřování nového algoritmu dekódování nervových vstupů, při vývoji a ověřování řídicích algoritmů a v dalších klíčových fázích vývoje.
 

Struktura VIE

 
Virtuální integrované prostředí se skládá z pěti hlavních modulů: vstupy, analýza signálu, řízení, soustava a prezentace.
 
Vstupní modul obsahuje veškerá zařízení, která může pacient využít pro zadávání pokynů. Takovými zařízeními mohou být povrchový elektromyogram (EMG), kortikální implantáty, implantovatelné myoelektrické senzory i mnoho jiných, běžněji využívaných zařízení, jako jsou přepínače a páčkové ovladače.
 
V modulu analýzy signálů se signály upravují a filtrují. Nejdůležitější součástí modulu jsou algoritmy z oblasti rozpoznávání vzorů, které ze snímaných vstupních signálů vyhodnocují požadavky uživatele. Požadavky jsou předávány řídicímu modulu, který ovládá motory pohybující paží, rukou a prsty umělé končetiny tak, aby bylo dosaženo požadovaného pohybu.
 
Modul soustavy obsahuje fyzikální model mechaniky končetiny a modul pro prezentaci poskytuje prostorové (3D) zobrazení pohybu umělé paže (obr. 2).
 

Propojení s nervovou soustavou

 
Zásadní přínos prostředí Simulink a VIE se ukázal při vypracovávání návrhu propojení umělé končetiny s nervovou soustavou člověka, které umožňuje dosáhnout přirozené a intuitivní kontroly pohybu paže. Návrháři nejprve naměřili data z výstupů implantovaných zakončení příslušných nervů v těle, zatímco subjekt prováděl ve virtuálním prostředí některou za základních operací, jako je např. uchopení předmětu. Data byla předána vstupnímu modulu VIE a funkce naprogramované v prostředí Matlab dekódovaly záměry subjektu. Základem naprogramovaných funkcí byly algoritmy rozpoznávání vzorů, s jejichž pomocí byly korelovány nervové aktivity s prováděným pohybem. Výsledky byly integrovány zpět do VIE, kde mohla být prověřena schopnost práce systému umělé paže v reálném čase.
 
Stejný postup byl použit pro všechna ostatní vstupní zařízení, z nichž některá již byla předem vyzkoušena uživateli protetických paží na Rehabilitation Institute of Chicago.
 

Návrh řídicího systému prototypu

 
Moduly pro analýzu signálu a řízení tvoří jádro řídicího systému a v konečné podobě budou dodávány s umělou končetinou. Jejich software byl vytvořen výzkumným týmem z APL. Algoritmy byly naprogramovány v jazyce Embedded Matlab a vloženy do modelů systému vytvořených v prostředí Simulink pomocí bloků pro uživatelské funkce. Prototyp řídicího systému pracující v reálném čase byl vytvořen s použitím nadstaveb programu Matlab pro automatické generovaní spustitelného kódu z modelů navržených v prostředí Simulink. Kód byl spuštěn na ověřovací platformě reálného času xPC Target.
 
S použitím metody Model-Based Design byl vytvořen model celého systému, který mohl být prověřen a optimalizován prostřednictvím podrobných simulací. Také bylo možné velmi rychle vytvořit a ověřit prototyp algoritmu pracující v reálném čase a tím prověřit činnost navrženého softwaru před tím, než byl zaveden do cílového hardwaru.
 
Program spustitelný na cílovém procesoru byl rovněž vytvořen při použití nástrojů pro automatické generování kódu. Protože byl výsledný kód kompletně vygenerován z prověřeného modelu vytvořeného v prostředí Simulink, neobsahoval žádné ručně psané celky, které by mohly do jeho funkce zanést neočekávané chyby.
 

Fyzikální model a vizualizace

 
Aby bylo možné simulovat chování řídicího systému v uzavřené smyčce, byl vytvořen simulační model umělé končetiny reprezentující její dynamické vlastnosti. Model vycházel z návrhu umělé paže vytvořené v systému CAD SolidWorks. Ze sestavy byl automaticky vygenerován dynamický model pro prostředí SimMechanics, což je nadstavba prostředí Simulink určená pro tvorbu prostorových modelů mechanických soustav. Dynamický model končetiny byl v prostředí Simulink propojen s modelem řídicího systému a celek byl podroben simulačním experimentům.
 
V konečné fázi byla simulace propojena s 3D vizualizací, umožňující sledovat výsledný pohyb mechanické paže.
 

Klinické použití

 
Pro klinické účely bylo vytvořeno intuitivní programové prostředí, s jehož pomocí lze systém paže snadno nastavit a používat. Pomocí grafického uživatelského rozhraní vytvořeného v Matlabu mohou lékaři konfigurovat parametry VIE a řídit zkoušku prováděnou za účasti dobrovolníků (obr. 3).
 
Lékaři pracují s programem spuštěným na hostitelském PC, který komunikuje s řídicím systémem spuštěným v reálném čase na platformě xPC Target. Třetí počítač se používá pro 3D vizualizaci ovládané virtuální končetiny. To umožňuje sledovat průběhy řídicích signálů a jejich vzájemné závislosti během pohybu.
 

Závěr

 
Při použití metody Model-Based Design byla vytvořena první verze prostředí VIE. V současné době je ve vývoji detailní uspořádání modulární protetické končetiny určené pro organizaci DARPA.
 
Mnoho partnerských institucí používá prostředí VIE k ověřování stále zdokonalovaného chování vlastních systémů a autorský tým by toto prostředí rád využil při dalším vývoji v protetice a neurovědách. Díky návrhu metodou Model-Based Design mohou být dosavadní výsledky snadno použity i při dalších projektech, protože jejich základem jsou opakovaně využitelné modely v prostředí Simulink. Oblast využití modelů tak není omezena jen na program Revolutionizing Prosthetics.
 
Ing. Jaroslav Jirkovský,
 
Obr. 1. Moderní protetická ruka se senzorickou zpětnou vazbou umožňuje dosáhnout dokonalého úchopu s vnímáním síly, tlaku a popř. i dalších fyzikálních veličin
Obr. 2. Prostorové (3D) zobrazení umělé končetiny
Obr. 3. Uživatelské rozhraní pro konfigurovaní parametrů protézy
 

Napodobení přírody na hranici možností

 
Aby bylo možné vytvořit během čtyř let mechatronický systém schopný replikovat přirozené pohyby a připravit jej pro klinické testy, bylo nutné výrazně pokročit vpřed v mnoha oborech, jako je senzorika, pokročilá mechanika, pohony a protetika.
 
Současné umělé paže mívají většinou jen tři aktivní stupně volnosti – ohyb v lokti, natáčení zápěstí a svírání úchopu.
 
První prototyp nové končetiny nazvaný Proto1 přidal dalších pět stupňů volnosti – dva aktivní stupně volnosti v ramenním kloubu (flexe/extenze, vnitřní/vnější rotace), sklápění zápěstí a rozšířené možnosti sevření úchopu.
 
Pro dosažení přirozených pohybů však bylo nutné výrazně překročit i tyto hranice. Druhý prototyp (Proto2) již měl 22 stupňů volnosti a sloužil také jako důkaz dostatečných funkčních schopností elektromechanické koncepce. V porovnání s prvním prototypem obsahoval další stupeň volnosti v ramenním kloubu (abdukce/addukce), radiální a ulnární deviace zápěstí a také nezávislé pohyby jednotlivých prstů. Ruka tak může být formována do velmi mnoha koordinovaných úchopů, což značně zvětšuje užitnou hodnotu a účinnost protézy.
 

Finální verze protézy Modular Prosthetic Limb, určená pro projekt DARPA, bude mít 27 stupňů volnosti a navíc bude doplněna o schopnost snímat teplotu, dotek, tlak a vibrace.