לתחושה / שיקום גרפי: שילוב רובוט לתוך ספריית סביבה וירטואלית וליישם אותו שבץ תרפיה

Summary

לאחרונה, כמות עצומה של לקוחות פוטנציאליים הגיעו זמין עבור אדם רובוט מערכות אינטראקטיביות. במאמר זה אנו המתאר את השילוב של מכשיר רובוטי חדש עם תוכנות קוד פתוח שיכולות להפוך במהירות ספריה אפשרי של פונקציונליות אינטראקטיבית. לאחר מכן מתאר יישום קליני עבור יישום neurorehabilitation.

Abstract

מחקר שנערך לאחרונה כי בדיקות התקנים אינטראקטיבי לתרגול טיפול ממושך חשף בפנינו סיכויים חדשים הרובוטיקה בשילוב עם צורות גרפיות אחרות של ביופידבק. קודם אדם רובוט מערכות אינטראקטיביות נדרש פקודות תוכנה שונות תיושם עבור כל רובוט המוביל זמן מיותר ממעל התפתחותי בכל פעם מערכת חדשה הופכת לזמינה. לדוגמה, כאשר לתחושה / מציאות גרפי סביבה וירטואלית כבר מקודד עבור רובוט אחד ספציפי לספק משוב לתחושה, כי רובוט מסוים לא יהיה מסוגל להיות הנסחרות לרובוט אחר ללא קידוד מחדש את התוכנית. עם זאת, המאמצים האחרונים בקהילת הקוד הפתוח הציעו בכיתה מעטפת גישה זו יכולה לעורר תגובה כמעט זהה ללא קשר הרובוט בשימוש. התוצאה יכולה להוביל חוקרים ברחבי העולם לבצע ניסויים דומים באמצעות קוד משותף. לכן "מיתוג החוצה" מודולרי של רובוט אחד אחר לא תשפיע על זמן הפיתוח. במאמר זה, אנו המתאר את יצירת יישום מוצלח של מעמד מעטפת עבור רובוט אחד לתוך הקוד הפתוח H3DAPI, המשלבת תוכנה הפקודות הנפוץ ביותר על ידי כל הרובוטים.

Protocol

הקדמה

ישנו צורך הולך וגדל בכל אינטראקציה אנושית מכונה (HMI) עבור סביבות אינטראקטיביות אינטואיטיבי ויעיל. ענפים רבים ממשיכים להסתמך יותר בעיקר על HMI, כגון: שיקום רובוטיקה, תעשיית הרכב, ייצור מתכות, מכונות אריזה, תרופות, מזון, משקה, ושירותים. טכנולוגיות המועסקים בענפים אלה כוללים: מסופי להציג, מחשבים אישיים, ותוכנות HMI. טכנולוגיות אלה עשויות להיות משולב ביחד כדי לבצע פעולות ללא הגבלה.

רובוטים יכולים לשמש כדי להקל על אינטראקציה ישירה עם המשתמשים, כגון משרת כמדריך למוזיקה. לדוגמה, חוקרים מאוניברסיטת אוניברסיטת ואסדה יצרו רובוט מנגן בסקסופון ללמד אנשים איך לשחק כדי להבין את האינטראקציה בין תלמיד ומורה ^1. חוקרים אחרים עשו רובוטיקה רובוט מבוססות ראיה טס על מנת לקבוע כיצד בינה מלאכותית עשויה להתפתח אינטראקציות אינטליגנטי עם הסביבה ^2. ריכוז מסוים של מאמר זה שוכן בתוך רובוטיקה השיקום.

בתוך התחום של המחקר והתעשייה, קצב מהיר של שינוי עבור מוצרים חדשים דרישות המשתמש ממשיך לגדול. דרישות אלה להטיל אתגרים גדולים בתוך הרחבה. לכן עיצוב קוד הפך אינטגרלי מענה לצרכים של גופים אלה מבעוד מועד. לפיכך, את האיכות של מועמד חזק אדריכלי שיכלול להחלפה בקלות גרפיקה רובוט מערכות הכוללות תמיכה למנהל ההתקן. הארכיטקטורה H3DAPI עונה על הצרכים הללו, ולכן מעמד מעטפת שנוצרה. יתר על כן, H3D מיועד עבור סביבות מציאות מדומה, כמו אלו זקוקים ברובוטיקה השיקום.

עצבית שיקום רובוטיקה מבקש לנצל רובוטים לצורך סיוע בשיקום אנשי מקצוע. הסיוע כי רובוטים אלו מספקים מגיע בצורה של שדה כוח. עבר הפיקוד מנוע חוקרים כגון Shadmehr ו-Ivaldi מוסא, המשמש שדות הכוח לטפח הסתגלות המנוע, ולא מצאו 1) הסתגלות לשדה כוח לשימוש חיצוני מתרחש עם סוגים שונים של תנועות, כולל אך לא מוגבל בתנועות לכת, ו 2) הסתגלות מוכלל ברחבי תנועות שונות לבקר באזורים זהה של ³ שדה חיצוני. מחקר מ מהנדסים biomechanical ב מבוסס ביצועים טיפול רובוט-Assisted Progressive מראה כי חוזר על עצמו, משימה ספציפית, מכוונת מטרה, רובוט בעזרת טיפול יעיל בהפחתת לקויות מוטוריות בזרוע הפגועה לאחר שבץ ^4, אך השפעות טיפוליות המדויק ופרמטרים להמשיך להיות שדה מחקר.

משוב תחושתי משפיעה למידה והסתגלות. לכן, השאלה ההגיונית הבאה יהיה לשאול או לא להגדיל באופן מלאכותי את גודל משוב כזה יקדם מהר יותר או שלם יותר למידה / הסתגלות. כמה חוקרים מצאו כי החלת יותר כוחות משוב תחושתי או רמזים חזותיים כדי לשפר את הטעויות יכולים לספק גירוי נוירולוגי הולם לקידום רמות גבוהות יותר של הסתגלות / למידה ^5,6. תופעה זו ידועה בשם "הגדלת שגיאה". תופעה זו עשויה לנבוע מהעובדה פעם התוצאות של פעולה שליטה מוטורית לסטות מן האידיאל, המודל הפנימי העצמי שלנו מתאים לפי גודל הטעות. כתוצאה מכך, כמו המודל הפנימי שלנו מתקרב הסביבה החיצונית, טעות בביצוע המשימה פוחתת.

המחקר ממשיך לתמוך בפועל ממושך של פעילויות רלוונטיות תפקודית לשיקום של הפונקציה, למרות שרבים הנוכחי לטיפול מדיניות הבריאות להגביל את כמות המטופלים יכולים לבלות זמן עם מטפלים. השאלה היא האם משכנעת אלו יישומים חדשים של הטכנולוגיה יכולה ללכת רחוק יותר מאשר פשוט לתת מינון גבוה יותר של המצב הנוכחי של טיפול. האדם למכונה מחקרים אינטראקציה חשפו בפנינו סיכויים חדשים בתחומים של למידה מוטורית, והוא יכול במקרים מסוימים להציע ערך מוסף לתהליך הטיפולי. התקנים רובוטיים מיוחדים בשילוב עם מחשב מציג יכול להגדיל משוב של השגיאה על מנת להאיץ, להגביר או לעורר relearning המנוע. מאמר זה יציג מתודולוגיה של שימוש במערכת שפותחה עבור התערבות קלינית כמו למשל אחד כזה של יישום של הטכנולוגיה הזו.

1. הקמת מחלקה HAPI מעטפת עבור רובוט

1. יצירת מעטפת עבור HAPI הספרייה haptics ידי יצירת cpp שלכם. ולהגיש הכותרת. לדוגמה נשתמש HAPIWAM.cpp שם HAPIWAM.h.
2. המקום HAPIWAM.cpp לתוך ספריית המקור: HAPI / src
3. המקום HAPIWAM.h לתוך ספריית הקבצים הכותרת: HAPI / כוללים / HAPI
4. בחלק העליון של HAPIWAM.h, כוללים את קובץ הכותרת הראשית (ים) של הרובוט שלך, במקרה של בארט WAM, זה יהיה:

<em> extern "C" {
# Include <include/btwam.h>
}
# Include <HAPI/HAPIHapticsDevice.h>

הערה: extern "C" נדרש לפתור וכל האינקוויזיציה מהדר, כי הספרייה כללה כתוב 'C' ו H3DAPI נכתב ב C + +.

5. ב HAPIWAM.h, ליצור בכיתה שלך כוללות 4 פונקציות

bool initHapticsDevice (int);
bool releaseHapticsDevice ();
חלל updateDeviceValues ​​(DeviceValues ​​& DV, HAPITime dt);
חלל sendOutput (HAPIHapticsDevice: DeviceOutput & D, HAPITime t);

6. ודא בכיתה שלך יורש בפומבי ממעמד HAPIhapticsdevice.
7. צור שומר כותרת לשיעור שלך.
8. צור DeviceOutput סטטי תכונות HapticsDeviceRegistration סטטי תחת המעמד HAPIWAM.
9. יצירת פונקציות סטטי חבר שלך עבור שיחות טלפון.
10. הגדרת בנאי שלך הורס ב HAPIWAM.cpp.
11. הרשם המכשיר HAPIWAM.cpp.
12. הגדרת פונקציות 4 שלך בירושה callbacks ב HAPIWAM.cpp.

2. HAPI ספריה היצירה

1. עכשיו יצרנו את המעמד מעטפת HAPI, אנחנו צריכים לבנות מעטפת שלך לתוך הספרייה HAPI. WAM תלוי כמה ספריות H3DAPI אינו תלוי בצורת הגלם, ולכן ספריות אלה יהיה צורך להוסיף HAPI. עבור HAPI / HAPI / לבנות, לערוך CMakeLists.txt. מוסיפים את ספריות תלוי לאחר השורה שאומרת "SET (OptionalLibs)".
2. פתיחת המסוף הפיקוד ונווט: HAPI / HAPI / לבנות הקלד את השורה הבאה 3 הפקודות לפי הסדר הבא:

cmake.
sudo לעשות
sudo make install

3. עטיפה H3D בכיתה

1. כדי ליצור את המעמד מעטפת עבור הספריה H3D עם HAPIWAM שלך, קודם ליצור WAMDevice.cpp במדריך מקור: H3DAPI/src
2. המקום WAMDevice.h לתוך ספריית הקבצים הכותרת: H3DAPI/include/H3D
3. WAMDevice.h צריכה להכיל את הקובץ כותרת סטנדרטית עבור כל ההתקנים H3DAPI, עם שם החליף את מה שאתה רוצה.
4. WAMDevice.cpp צריך להכיל את מקור סטנדרטי עבור כל ההתקנים H3DAPI, עם שם החליף את מה שאתה רוצה.
5. עכשיו בכיתה מעטפת שנוצרה, לבנות מחדש את הספרייה H3DAPI. לעשות זאת על ידי עריכת CMakeLists.txt באותה דרך, כי בוצעה שלב 2.1, רק תחת ספריית: H3DAPI/build.
6. לבנות מחדש את הספרייה H3DAPI תחת H3DAPI/build את המדריך

cmake.
sudo לעשות
sudo make install

4. מכונת סופיים המדינה

1. כל תוכנית להגיע ממוקד דורש יצירת מכונה מדינה סופי לשלוט על פרוטוקול הניסוי או המשטר בפועל. מכונות מצבים אופייניים כוללים: התחלה של משפט, הפעלה, צור יעד, ואת סוף המשפט. דוגמה של הפונקציה של כל מדינה, וקריטריונים להעברת בין מדינות המפורטים להלן.
2. התחלה של משפט דורש הקצאת מטרה. במקומות מטרות יכולה להיות מוגדרת באופן אקראי עבור כל ניסוי או עשויה להיות מוגדרת מקובץ. ההתחלה של המשפט מסתיים ברגע שמשתמש השיקה לעבר המטרה מעל סף מהירות, בדרך כלל על 0.06 מטרים לשנייה.
3. מצב הפעלה מתרחשת לאחר תחילת המשפט. מצב זה מסתיים או פעם שהמשתמש נוגע היעד או נשאר בתוך היעד לתקופה של זמן. לאחר היעד הוא נגע, זה מאפשר למדינה צור יעד.
4. צור קשר עם יעד מתרחשת במהלך המדינה הפעלה. זה עלול בסופו של דבר ברגע היעד הוא נגע או אחרי הנושא שוכן בתוך היעד לתקופה מסויימת של זמן. לאחר הזמן הזה שחלף, סוף המדינה משפט מופעלת.
5. סופו של משפט המדינה צריכה לאותת איסוף נתונים תוכנה כדי לסמן את קובץ הנתונים, בכל בניתוח מפתח תוכנה השתמשה, התוחמות את הסוף של כל ניסוי. אם המשפט האחרון הושלמה, סוף סוף המדינה משפט מאפשרת התחלה של משפט המדינה.

5. יישום: שיקום החולה שבץ

1. ממשק רובוטית תוכנן לערב מומחיות המטפל תוך שימוש ברובוט כדי לאפשר משהו שלא יכול להיעשות אחרת. יישום הטכנולוגיה אפשרה (כמתואר ביתר פירוט להלן) של הגדלת שגיאה, אשר הגדילו את השגיאות נתפס על ידי המטופל, אשר ידועים מספר סיבות משפר את תהליך הלמידה מחדש (איור 1).
2. תלת ממדי haptics / מערכת גרפיקה שנקרא מציאות מדומה רובוטיים מכונת תפעול אופטי (VRROOM). מערכת זו, הציג בעבר ^6, בשילוב מערכת סטריאו מוקרן, ראש מעקב טיוח על צג מראה כסופה למחצה כיסוי עם מערכת רובוטית עמדה היד הקליט שנוצר וקטור הכוח (איור 2).
3. קולנוע באיכות דיgital מקרן (כריסטי מיראז' 3000 DLP) מוצג בתמונות שחצה תצוגה מטר רחב 1280x1024 פיקסלים, וכתוצאה מכך 110 ° זווית צפייה רחבה. Emitters אינפרא אדום מסונכרן נפרד התמונות עין שמאל וימין באמצעות תצוגת גביש נוזלי (LCD) רפפה משקפיים (Stereographics, Inc). ההתעלות להקת ציפורים אלמנטים מגנטיים מעקב תנועה של הראש, כך התצוגה החזותית שניתנו היה עם המבט ראש ממוקדת המתאימה.
4. עם במוקדמות המחקר, יכולת תפקודית של כל משתתף הוערך על ידי rater עיוור בתחילת וסיום של פרדיגמה כל טיפול שבוע אחד מעקב אחרי כל הכולל 45 יום מעקב והערכה. כל הערכה כללה מגוון רחב של הערכת תנועה (ROM) שבוצעו VRROOM וכן אמצעים קליניים, כולל: הערכת תיבת וחוסם, וולף מבחן Motor Function (WMFT), מנוע זרוע סעיף של Fugl-מאייר (AMFM), ו הערכה תפקודית של Reach פשוט (ASFR).
5. כפפה exotendon עם סד היד נוצל כדי לסייע היד נייטרלי ויישור היד. המרכז של הידית רובוט צורפה האמה הוצב האחורי למפרק טיפולים רצופים משני כך כוחותיה פעלו בשורש כף היד, אך איפשר תנועה ביד.
6. משקל הזרוע של המטופל היה פחתה באמצעות קפיץ מופעל בווילמינגטון רובוטית שלד חיצוני (WREX) הכבידה מאוזן ישור. מטרת הוראה של החולה היה מרדף הסמן הציג לפניהם עבר דרך מכשיר מעקב ביד של המטפל (teleoperation המטפל).
7. חולים להתאמן שלושה ימים בשבוע למשך כ 40-60 דקות עם המטופל, את המטפל, לבין רובוט לעבוד יחד עם שלישיית. נושא והמטפל ישבו זה ליד זה, והנושא היה קשור הרובוט בשורש כף היד.
8. כל מפגש החל עם חמש דקות של טווח תנועה פסיבי של תרגילים (PROM) עם המטפל, ואחריו כעשר דקות עבור הצבת המטופל במכונה. הנושא ואז סיימו שישה בלוקים של אימון תנועה שנמשך חמש דקות כל אחד עם שתי דקות תקופות מנוחה בין כל בלוק.
9. במהלך האימונים, המשתתפים צפו two סמנים על המסך סטריאו. המטפל בטיפול מניפולציות one הסמן ואילו המשתתף השני נשלט. המטופלים הונחו לבצע את הנתיב המדויק של הסמן של המטפל כפי שהוא עבר בכל סביבת עבודה.
10. הגדלת שגיאה סופק הן ויזואלית על ידי כוחות שנוצר על ידי הרובוט. כאשר המשתתפים חרג הסמן של המטפל, אלקטרוני מיידי וקטור השגיאה הוקמה כהפרש בין הסמן במצב של המטפל בידו של המשתתף. שגיאה היה מוגדל חזותית בפקטור של e 1.5 (מ ') כחלק הגדלת השגיאה. בנוסף, כוח שגיאה משלים של ה 100 (N / m) יושמה גם, שהייתה מתוכנת להרוות ב למקסימום של 4 N מטעמי בטיחות.
11. כל בלוק טיפול אחר כלל, תנועות ספציפיות סטנדרטית כי היו זהים עבור כל פגישה. אבני אחרים מותר המטפל להתאים הכשרה בתחומים ספציפיים של חולשה המבוסס על מומחיות המטפל התצפיות שלהם. פרוטוקול הטיפול כללה תרגול של תנועות ספציפיות עבור כל המשתתפים, כולל קדימה בצד לכת, כתף, מרפק צימוד, ו אלכסוני לאורכו ולרוחבו של הגוף.
12. בזמן האימון, יום יומית שגיאה חציון נמדדה תוצאה אחת בפועל. תשומת לב מיוחדת ניתנה בלוקים של תנועות סטנדרטית כי היו זהים עבור כל פגישה. אלה היו לעומת הימים הקודמים כדי לקבוע אם כל שיפור מצטבר יכול להיבחן על בסיס יום יום, אשר ניתן לדווח למטופל, המטפל, ואת המטפלים (איור 3).
13. אמצעים עיקריים של התוצאה נמדדו שבועי, 1 שבוע לאחר סיום הטיפול, ו 45 ימים הודעה על מנת לקבוע את השמירה של הטבות. התוצאות היו מפתחות את הציון Fugl-מאייר מנוע היכולת להגיע זרוע אישית שלנו בדיקה נמדד טווח התנועה.

6. נציג תוצאות:

כאשר הפרוטוקול הוא נעשה בצורה נכונה, אז פעם את הצומת <AnyDevice> הוא נטען לתוך H3DViewer או H3DLoad, המכשיר צריך להיות מוכר WAM ויזם. אם WAM הוחלפו עם רובוט אחר, את הקוד עצמו לא היה צריך להיות שונה.

באיור 1. נושא יושב ליד לתחושה / מנגנון גרפי.

איור 2. נושא יושב ליד לתחושה / מנגנון גרפי עם פיזיותרפיסט.

איור 3. תצורת לשיקום of החולה שבץ. א) הנושא המטפל לעבוד יחד, יושבים ושימוש לתחושה גדול סביבת עבודה / תצוגה גרפית לתרגל תנועה. המטפל מספק רמז לנושא, ומיזוג להתאים לצרכים של המטופל יכול. הרובוט מספק הכוחות לדחוף את איבר מן היעד ואת מערכת משוב חזותי משפר את השגיאה של הסמן. ב) חולה כרוני טיפוסי שבץ שיפור מיום ליום. כל נקודה מייצגת את השגיאה החציוני הנמדד עבור בלוק 2 דקות של תנועה תפקודית סטריאוטיפית. בעוד המטופל מראה התקדמות על פני תקופה של 2 בשבוע תועלת הכוללת, אדם זה לא תמיד להשתפר בכל יום.

Discussion

שיטה זו של יישום בכיתה מעטפת מאפשר רובוטים שונים כדי לשמש, מבלי לשנות את קוד המקור, בעת שימוש H3DAPI. באופן ספציפי, החוקרים שכתבו לתחושה שלהם / סביבת גרפי H3D ונבדק הניסוי שלהם עם רובוט רוח רפאים יהיה מסוגל לבצע את הניסוי זהים או דומים באמצעות בארט WAM, ולהיפך. זה סוג של מכשיר עצמאי תקשורת הנגדית נושאת השלכות על מחקר בינלאומי רובוטיקה השיקום. השלכות כאלה להקל לתחושה מהיר / פיתוח גרפי, שיתוף פעולה מחקרי בינלאומי, בין מחקר תקשורת מעבדה.

שיקום רובוטיקה טרם לחשוף את הפרמטרים הרבים הכרוכים למידה מוטורית. אחד הצעדים זמן רב במהלך לתחושה / פיתוח גרפיקה כולל זמן הידור. עם פרמטרים שיקום רבים, מורכב עם הזמן הידור עבור כל תוכנית, מחזור חיי הפיתוח כדי לבחון את כל ההיבטים קבוצת אפשרי עולה במהירות. H3D, עם העדרו של דרישות לקט, מאפשרת פיתוח מהיר של מספר רב של סצינות מציאות מדומה. זה בא כיתרון עבור אלה השואפים החוקרים לחקור את ההשפעות של תרחישים הכשרה שונים.

מגבלות זה "בקידוד קשיח" הגישה בכיתה מעטפת אינטגרציה כוללים את העובדה כי הליך זה יש לחזור בכל פעם יש חלוקה חדשה של H3DAPI. שינויים אפשריים לשילוב בכיתה העטיפה לתוך ההפצה האחרונה שלך של H3DAPI יהיה ליצור את המעמד מעטפת בנפרד H3DAPI. היית אז לשים בכיתה העטיפה שלך לתוך קובץ *. ספריה כך. זה יהיה לבודד את המעמד שלך מהפצת H3DAPI המקורי.

Materials

The Display called paris (personal augmented reality immersion system), can be found at www.evl.uic.edu The large gray robot is the Barrett WAM: www.barrett.com The smaller, skinnier black robot is the Phantom: www.sensable.com The arm mount is the T-WREX, developed at the RIC: http://www.ric.org/research/centers/mars2/Projects/development/d3.aspx The shutter glasses for 3d vision: www.vrlogic.com Head tracking software. www.mechdyne.com The H3DAPI itself: www.h3dapi.org