Development of a Graphical User Interface for a Rehabilitation Exoskeleton

Laura De Rijcke
Hoe spreek je een robot, ontworpen voor staprevalidatie, aan?Na een ernstige ziekte of een ongeluk is het niet ongebruikelijk dat de slachtoffers achteraf problemen hebben om te stappen. Tegenwoordig wordt er steeds meer aandacht besteed aan het verbeteren van de levenskwaliteit van deze mensen. Desondanks blijft de onmogelijkheid, of de beperkte mogelijkheid om te kunnen stappen nog steeds een sterk negatieve invloed hebben op hun leven. Robots kunnen, indien ze aan welbepaalde eisen voldoen, deze mensen helpen bij hun revalidatieproces.Exoskeletons spreken al jaren tot de verbeelding.

Development of a Graphical User Interface for a Rehabilitation Exoskeleton

Hoe spreek je een robot, ontworpen voor staprevalidatie, aan?

Na een ernstige ziekte of een ongeluk is het niet ongebruikelijk dat de slachtoffers achteraf problemen hebben om te stappen. Tegenwoordig wordt er steeds meer aandacht besteed aan het verbeteren van de levenskwaliteit van deze mensen. Desondanks blijft de onmogelijkheid, of de beperkte mogelijkheid om te kunnen stappen nog steeds een sterk negatieve invloed hebben op hun leven. Robots kunnen, indien ze aan welbepaalde eisen voldoen, deze mensen helpen bij hun revalidatieproces.

Exoskeletons spreken al jaren tot de verbeelding. Denk maar aan films als Elysium (Figuur 1), GI Joe en Iron Man. Maar ze bestaan ondertussen ook in het echte leven. Voorbeelden hiervan zijn het HAL exoskeleton (Figuur 2) en het DARPA XOS exoskeleton (Figuur 3). Deze exoskeletons zijn echter voornamelijk bedoeld om de prestaties van de drager te verhogen en kunnen moeilijk voor revalidatie ingezet worden. De robot moet namelijk tijdens het revalidatieproces het assistentieniveau kunnen aanpassen aan de behoeften van de gebruiker. In het begin van de revalidatie zal de robot de patiënt bijna compleet moeten meeslepen tijdens de stapbeweging. Op het einde van het revalidatieproces zal de robot nog amper kracht moeten leveren om de patiënt te laten stappen. Dit vergt een speciaal ontworpen robot.Een voorbeeld van een dergelijke revalidatierobot, is de Lokomat (Figuur 4). Dit toestel wordt al in meerdere landen, waaronder België, gebruikt. Het toestel stuurt enkel de heupen en de kniegewrichten aan. Stappen is echter veel complexer dan dit en vraagt veel meer bewegingsmogelijkheden. Probeer bijvoorbeeld maar eens om te stappen zonder je bekken te draaien of terwijl je je voeten in een rechte hoek met je onderbenen houdt.

Om al deze bewegingen ook in het revalidatieproces te kunnen integreren werd aan de Vrije Universiteit Brussel (VUB) de staprehabilitatie robot ALTACRO ontworpen (Figuur 5). Wanneer de robot een stapbeweging uitvoert, doet deze ook de benen en de heupen van de patiënt bewegen. Door dit herhaaldelijk te doen leren de hersenen van de gebruiker opnieuw hoe te stappen. Maar enkel een robot ontwerpen volstaat niet, je moet er ook nog makkelijk mee kunnen communiceren. Met dit doel werd er een grafische gebruikersinterface voor ALTACRO ontworpen. Dit is het programma waarmee een persoon commando’s naar de robot kan sturen en gegevens van de robot kan uitlezen.

Voor je aan het werkelijke programmeren van een interface kan beginnen moet je nagaan aan welke voorwaarden je programma moet voldoen om bruikbaar te zijn. Om het werk te vergemakkelijken werden de gebruikers van de robot in drie groepen ingedeeld, namelijk: de ingenieurs die de robot ontwikkelen en onderhouden, de kinesitherapeut die de robot opdracht geeft om te bewegen, en de patiënten die in de robot gaan zitten. Elk van deze gebruikers heeft specifieke eisen:

·         De ingenieurs moeten gemakkelijk alle technische parameters van de robot kunnen uitlezen. Ze moeten ook in staat zijn om deze parameters te veranderen en terug naar de robot te sturen. De ingenieurs moeten tot slot kunnen nagaan (met grafieken e.d.) of de robot werkelijk de gevraagde trajecten uitvoert.

·         De kinesitherapeuten moeten de robot kunnen laten bewegen. Om de therapie goed te kunnen geven moeten ze ook verschillende parameters kunnen ingeven: zo moet de robot bijvoorbeeld in staat zijn om grotere of kleinere stappen te nemen en om de voeten meer of minder op te heffen. Ten slotte moeten de kinesitherapeuten ook de resultaten  van de sessie (duur van de sessie, afgelegde stapafstand,…) kunnen zien en opslaan. Ideaal is natuurlijk als deze resultaten in een soort patiëntenbestand opgeslagen worden, samen met de persoonlijke gegevens van de patiënt. Dit zorgt ervoor dat de dokter de evolutie van de patiënt in een handomslag terug kan vinden.

·         De patiënten zelf kunnen eveneens een interface gebruiken. Deze interface zorgt er dan voor dat ze zelf hun vooruitgang kunnen opvolgen en tegelijk kunnen zien of ze hun oefening goed uitvoeren. De weergave kan ook met een computerspel gebeuren, waarin de patiënt bijvoorbeeld voetsporen moet volgen of om ter snelst ergens moeten geraken. Dit zorgt er dan voor dat de sessie leuker is voor de patiënt en dat hij de oefeningen nog enthousiaster uitvoert.

Het bestaan van de interface is heel belangrijk voor de veiligheid van het toestel. Hij moet ervoor zorgen dat de robot alle nodige bewegingen kan uitvoeren. Hij moet er echter ook voor zorgen dat de gebruiker de robot geen bewegingen kan opleggen die schadelijk zijn voor de patiënt. Stel je voor wat er zou gebeuren als de kinesitherapeut per ongeluk aan de robot vraagt om de voet van de patiënt boven zijn heup te houden! De robot zou de benen van de patiënt misschien zelf kunnen breken! Om deze reden worden de bewegingen die de robot moet uitvoeren eerst berekend aan de hand van de gevraagde specificaties (staplengte, staphoogte e.d.). Deze bewegingen worden vervolgens gesimuleerd in de interface. Indien er tijdens de simulatie geen zottigheden gebeuren kunnen de bewegingstrajecten naar de robot gestuurd worden. Nu kan de robot de patiënt veilig laten bewegen.

Het is duidelijk dat er veel aandachtspunten zijn bij het maken van een exoskeleton. Je moet opletten dat de interface voldoet aan de vereisten van alle mogelijke gebruikersgroepen. Omdat een exoskeleton een robot is die in nauw contact met de mensen komt, moet de robot in elke denkbare situatie veilig voor de gebruiker zijn. Dit weerspiegelt zich eveneens in het maken van de interface van de robot. Je moet namelijk niet enkel letten op het programmeren van de interface zelf, je moet er ook voor zorgen dat de robot nooit fysisch onuitvoerbare bewegingen maakt. Er komt dus nog heel veel bij te kijken voor je op een veilige manier een praatje met een robot kan maken!

Bibliografie

[1]

W. Organization, Neurological Disorders: public health challenges, 2006.

[2]

P. Beyl, «Design and control of a knee exoskeleton powered by pleated pneumatic artificial muscles for robot-assisted gait rehabilitation,» 2012.

[3]

B. Fei, W. S. Ng, S. Chauhan et C. K. Kwoh, «The safety issues of medical robotics,» Reliability engineering & system safety, vol. 73, pp. 183-192, 2001.

[4]

S. Kemna, P. Culmer, A. Jackson, S. Makower, J. Gallagher, R. Holt, F. Cnossen, J. Cozens, M. Levesley et B. Bhakta, «Developing a user interface for the iPAM stroke rehabilitation system,» chez Rehabilitation Robotics, 2009. ICORR 2009. IEEE International Conference on, 2009.

[5]

«Pablo system,» [Online]. Available: http://www.tyromotion.com/fr/produits/pablo/apercu.html. [Accessed 12 2012].

[6]

K. Brütsch, T. Schuler, A. Koenig, L. Zimmerli, S. Mérillat, L. Lünenburger, R. Riener, L. Jäncke et A. Meyer-Heim, «Research Influence of virtual reality soccer game on walking performance in robotic assisted gait training for children,» Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, vol. 7, p. 15, 2010.

[7]

«Lokomat - enhanced functional locomotion therapy,» [Online]. Available: http://www.hocoma.com/products/lokomat. [Accessed 12 2012].

[8]

Lokomat System User Manual, 2009.

[9]

«Optogait,» [Online]. Available: http://www.optogait.com. [Accessed 12 2012].

[10]

Noraxon, «Clinical gait analysis and gait therapy solutions,» [Online]. Available: http://www.noraxon.com/products/instruments/complete_gait_analysis.php. [Accessed 2012].

[11]

F. Collen, D. Wade, G. Robb et C. Bradshaw, «The Rivermead mobility index: a further development of the Rivermead motor assessment,» Disability & Rehabilitation, vol. 13, n° 12, pp. 50-54, 1991.

[12]

L. Johnson et J. Selfe, «Measurement of mobility stroke: a comparison of the Modified Rivermead Mobility Index and the Motor Assessment Scale,» Physiotherapy, vol. 90, n° 13, pp. 132-138, September 2004.

[13]

V. Hood, M. Granat, D. Maxwell et J. Hasler, «A new method of using heart rate to represent energy expenditure: the Total Heart Beat Index,» Archives of physical medicine and rehabilitation, vol. 83, n° 19, pp. 1266-1273, 2002.

[14]

M. Ijzerman, G. Baardman, M. van't Hof, H. Boom, H. Hermens et P. Veltink, «Validity and reproducibility of crutch force and heart rate measurements to assess energy expenditure of paraplegic gait,» Archives of physical medicine and rehabilitation, vol. 80, n° 19, pp. 1017-1023, 1999.

[15]

M. J. Bailey et C. M. Ratcliffe, «Reliability of Physiological Cost Index measurements in Walking Normal subjects using steady-state, non steady-state and post-exercise heart rate recording,» Physiotherapy, vol. 81, n° 110, pp. 618-623, October 1995.

[16]

E. Eng, Qt GUI Toolkit, vol. 31, 1996.

[17]

B. Rempt et D. Mertz, «Qt and PyQt,» Februari 2003. [Online]. Available: http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/1-qt/. [Accessed 12 2012].

[18]

A. Writing, «The advantages & disadvantages of Visual Basic,» [Online]. Available: http://www.ehow.com/list_6148486_adavantages-disadvantages-visual-basic…. [Accessed 12 2012].

[19]

D. Eyre, «Matlab basics and a little beyond,» august 1998. [Online]. Available: http://www.math.utah.edu/~eyre/computing/matlab-intro. [Accessed 2012].

[20]

R. Tabone, «Matlab Introduction,» [Online]. Available: http://www.yorku.ca/jdc/Matlab. [Accessed 12 2012].

[21]

N. instruments, «Advantages of Using LabView in Academic Research,» [Online]. Available: http://www.ni.com/white-paper/8534. [Accessed 12 2012].

[22]

«Advantages/Disadvantages,» [Online]. Available: http://www.labviewportal.eu/en/introduction/advantages-disadvantages. [Accessed 12 2012].

[23]

J. Perry, «Gait analysis Normal and pathological function.,» SLACK Incorporated, 1992.

[24]

S. A. Gard et D. S. Childress, «What determines the vertical displacement of the body during normal walking?,» JPO: Journal of Prosthetics and Orthotics, vol. 13, n° 13, pp. 64-67, 2001.

[25]

M. W. Whittle et D. Levine, «Three-dimensional relationships between the movements of the pelvis and lumbar spine during normal gait,» Human Movement Science, vol. 18, n° 15, pp. 681-692, 1999.

[26]

D. A. Winter, «Foot trajectory in human gait: a precise and multifactorial motor control task,» Physical Therapy, vol. 72, n° 11, pp. 45-53, 1992.

[27]

T. Öberg, A. Karsznia et K. Öberg, «Basic gait parameters: reference data for normal subjects, 10-79 years of age,» Journal of rehabilitation research and development, vol. 30, pp. 210-210, 1993.

[28]

T. Oberg, A. Karsznia et K. Oberg, «Joint angle parameters in gait: reference data for normal subjects, 10-79 years of age.,» Journal of rehabilitation research and development, vol. 31, n° 13, p. 199, 1994.

[29]

J. L. Astephen, K. J. Deluzio, G. E. Caldwell et M. J. Dunbar, «Biomechanical changes at the hip, knee, and ankle joints during gait are associated with knee osteoarthritis severity,» Journal of Orthopaedic Research, vol. 26, n° 13, pp. 332-341, 2008.

[30]

"The ALTACRO Prototype," VUB, [Online]. Available: altacro.vub.ac.be. [Accessed 01 06 2013].

[31]

R. van Ham, B. Vanderborght, M. van Damme, B. Verrelst et D. Lefeber, «MACCEPA, the mechanically adjustable compliance and controllable equilibrium position actuator: Design and implementation in a biped robot,» Robotics and Autonomous Systems, vol. 55, n° 110, pp. 761-768, October 2007.

[32]

N. Instruments, «NI LabView - Improving the Productivity of engineers and scientists,» [Online]. Available: http://www.ni.com/labview/. [Accessed 07 05 2013].

[33]

«Qt,» [Online]. Available: http://qt.digia.com/Product. [Accessed 11 2012].

[34]

A. Gauld, «GUI Programming with Tkinter,» [Online]. Available: http://www.freenetpages.co.uk/hp/alan.gauld/tutgui.htm. [Accessed 2012].

[35]

D. Cuthbert, «GUI Programming in Python,» April 2012. [Online]. Available: http://wiki.python.org/moin/GuiProgramming. [Accessed 12 2012].

[36]

D. A. Vogel, «Software user interface, Requirements for medical devices,» Intertech engineering associates, August 2007.

[37]

C. Stanger, C. Anglin, W. Harwin et D. Romilly, «Devices for assisting manipulation: a summary of user task priorities,» Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on, vol. 2, n° 14, pp. 256-265, 1994.

[38]

J. Rose, J. Medeiros et R. Parker, «ENERGY COST INDEX AS AN ESTIMATE OF ENERGY EXPENDITURE OF CEREBRAL-PALSIED CHILDREN DURING ASSISTED AMBULATION,» Developmental Medicine & Child Neurology, vol. 27, n° 14, pp. 485-490, 1985.

[39]

S. Jezernik, G. Colombo, T. Keller, H. Frueh et M. Morari, «Robotic orthosis Lokomat: a rehabilitation and research tool,» Neuromodulation: Technology at the Neural Interface, vol. 6, n° 12, pp. 108-115, 2003.

[40]

R. Huq, E. Lu, R. Wang et A. Mihailidis, «Development of a portable robot and graphical user interface for haptic rehabilitation exercise,» chez Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob), 2012 4th IEEE RAS & EMBS International Conference on, 2012.

[41]

t. GmbH, Instruction ManualPablo System Hand arm rehabilitation, 2011.

[42]

«GUIs and which one to use,» [Online]. Available: http://www.scriptol.com/programming/gui.php. [Accessed 12 2012].

[43]

G. Colombo, M. Joerg, R. Schreier et V. Dietz, «Treadmill training of paraplegic patients using a rabotic orthosis,» Journal of rehabilitation research and development, vol. 37, n° 16, pp. 693-700, November/December 2000.

[44]

V. T. Inman, H. D. Eberhart et others, «The major determinants in normal and pathological gait,» The Journal of Bone & Joint Surgery, vol. 35, n° 13, pp. 543-558, 1953.

[45]

A. Leung, A. Mak et J. Evans, «Biomechanical gait evaluation of the immediate effect of orthotic treatment for flexible flat foot,» Prosthetics and orthotics international, vol. 22, n° 11, pp. 25-34, 1998.

 

Universiteit of Hogeschool
Master of Electro-mechanical engineering
Publicatiejaar
2013
Kernwoorden
Deel deze scriptie