Design, implementation and BCI-based control of a series elastic mobile robot for home-based physical rehabilitation

Abstract

Bu tezde üst uzuvların robot destekli masa üstü rehabilitasyonunda kullanılmak üzere, seri elastik holonomik gezgin platform AssistOn-Mobile'ın tasarımını, kontrolünü ve insan etkileşimi için kullanlan arayüzünü sunmaktayız. AssistOn-Mobile, dört aktif Mecanum tekerlekli holonomik gezgin platform tabanlı, çok serbestlik dereceli seri elastik eyleyici olarak tasarlanmıştır. Gezgin tabanı sayesinde kompakt ve taşınabilir olan bu cihaz, insan kolunun ulaşabileceği çalışma alanında dönme ve ilerleme hareketlerini bağımsız yapabildiği gibi tüm yatay uzanma hareketlerini de gerçekleştirebilir. Mekanum tekerlekler yüzünden pasif olarak geri sürülebilir olmayan bu cihaz, düşük maliyetli, esnek mekanizma tabanlı,çok serbestlik dereceli seri elastik eleman kullanarak seri elastik eyleyiciye dönüştürdük ve sisteme aktif geri sürülebilirlik kazandırdık. Seri elastik eyleyiciye sahip holonomik platform, yüksek maliyetli kuvvet sensörlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırmakta ve yüksek kazanımlara sahip kapalı döngü kuvvet kontrolü uygulamasına olanak tanımaktadr. Aynı zamanda sistemin pasif empedansını düşürüp darbelere karşı sistem gürbüzlüğünün artmasını da mümkün kılmaktadır.AssistOn-Mobile'ın kontrolü için, aktif geri sürülebilirliği sağlayan admitans kontrolörüne ek olarak, rota takip etme uygulamaları için pasif hız alan kontrolörü (PVFC) de sentezledik. PVFC, takip edilmesi istenilen rotayı ve rotayı tamamlamak için gereken zamanı birbirinden ayrmakta ve rota hatalarını küçültmektedir. Ayn zamanda, döngü içerisinde insan da olan sistemin dışarıdan uygulanan kuvvetlere karşı pasif olmasını sağlayarak, toplam sistemin kararlılığını garanti etmektedir. AssistOn-Mobile hasta ile robotun sadece sonlandırıcıda fiziksel etkileşim içinde olması üzere tasarlandığından, egzersizler sırasnda hastaların telafi edici hareketlerini (örneğin, eğilme hareketi) engelleyememektedir. Terapi sırasnda istenmeyen bu hareketleri limitlemek için, Kinect (RGBD) sensörü ile hastalarn omuz hareketlerini anlık olarak takip edilmiş ve AssistOn-Mobile'ın hızı bu ölçümlere göre değiştirilerek hastalara anlık geri besleme verilmiştir. Bu kontrolörlerin kullanımı sayesinde AssistOn-Mobile, hastalara yatay düzlemde çok yönlü hareketleri gerekli miktarda destek veya direnç göstererek gerçekleştirebilen, kuvvet kontrolörlü ve geri sürülebilir bir robot ara yüzü haline getirilmiştir. Ağır sakatlıkları bulunan hastaların (örneğin sakatlıktan etkilenmiş kolu ile hiç bir hareketi gerçekleştiremeyen hastalar veya omurilik rahatsızlıkları bulunan hastalar) AssistOn-Mobile ile etkileşimlerini mümkün kılabilmek ve bu hastalara da ihtiyaç duydukları kadar destek verebilen rehabilitasyon protokollerini uygulayabilmek amacı ile Elektroensefalogro (EEG) tabanlı Beyin-Bilgisayar Arayüzleri (BBA) sisteme entegre edilmiştir. Bu tezde; hastaların hareketi ne kadar gerçekleştirmek istedikleri BBA tarafından görüntülenerek robot destekli rehabilitasyon egzersizlerinin hızının sürekli olarak değiştirildiği sistematik bir yaklaşım sunulmuştur. Bir uygulamada, LDA sınıflandırıcısından gelen bilgilerin ardıl olasılıklarını sürekli değerli sonuç verecek şekilde hesaplayarak PVFC'nin hız katsayısını değiştirecek şekilde kullanılmıştır. Böylece, AssistOn-Mobile'ın PVFC sayesindebelirlenen rotayı takip edeceği hız, hastaların hareketi gerçekleştirme isteği doğrulusunda değiştirilmiştir. Sunmuş olduğumuz hareket hızının çevrimiçi değiştirildiği BBA tabanlı rehabilitasyon yönteminin etkinliğini, sağlıklı gönüllülerin katldığı insanlı deneyler ile gözlemledik. Bu deneylerde, sunmuş olduğumuz yöntemi mevcut BBA tabanlı sanal gerçeklik ve robot destekli rehabilitasyon teknikleri ile karşılaştırdık. Bu insan deneylerinin sonuçları gösterdi ki, sunmuş olduğumuz robot destekli BBA sistemi, hastaların rehabilitasyon egzersizlerine daha fazla katılım göstermesini sağlamakla beraber rehabilitasyon protokolünde hastaların aktif olmasını garanti etmektedir. Bu deneyin sonucunda, hastalara terapi sırasında verilen robotik geri beslemenin istatistiksel önemini gözlemledik. Ayrca, BBA sistemini hareketi başlatmak yerine düzenli olarak kullanmanın daha tercih edilebilir olduğu sonucuna vardık. Son olarak, sonuçlarımız, önerdiğimiz BBA yöntemi ile kullanıcıların hareketi fiziksel ve aktif gerçekleştirmeleri arasnda beyin aktivitesi açısından istatistiksel bir fark olmadığını göstermektedir.

We present the design, control and human-machine interface of AssistOn-Mobile, a series elastic holonomic mobile platform aimed to administer therapeutic table-top exercises to patients who have suffered injuries that affect the function of their upper extremities. AssistOn-Mobile is designed as a multi-DoF series elastic actuator based ona holonomic mobile platform consisting of four actuated Mecanum wheels. Thanks to its mobile base, it is a compact and portable device that can cover whole human workspace for planar reaching exercises. Even though the mobile platformis not passively backdriveable due to the Mecanum wheels, a low-cost, compliant mechanism based, multi-DoF series elastic element is introduced to transform the holonomic mobile platform into a series elastic actuator and to ensure actively backdriveability of the overall system. Implementation of series elastic actuation results in many advantages, such as eliminating the need for costly force sensors, improving the performance of force control, and increasing the impact resistance and robustness of the overall system. For the control of AssistOn-Mobile, in addition to admittance controllers used for active backdriveability, passive velocity field control (PVFC) is implemented for contour following tasks. PVFC minimizes the contour error by decoupling the task (path tracking) and the timing of the task, while also ensuring the coup -led stability of the human -in-the-lo op system by rendering the system passive with respect to externally applied forces. Furthermore, since AssistOn-Mobile is an end-eector typ e device, patients' shoulder movements are continually tracked utilizing a Kinect (RGBD) sensor such that compensatory movements of the patients(e.g, leaning) are limited by providing online feedback to the patients (for in stance, by modulating the speed of the contour tracking task). With these controllers in place,AssistOn-Mobile becomes a highly backdriveable, force-controlled robotic interface that can provide required amount of assistance/resistance to patients, while performing omni-directional movements on a plane. To enable patients with severe disabilities (e.g., spinal cord injury patientswith no residual movements on their affected limb) to interact with AssistOn-Mobile and to provide assist-as-needed rehabilitation protocols to such patients, we introduce a systematic approach for online modication of robot assisted rehabilitation exercises by continuously monitoring intention level s of patients utilizing an electroencephalogram (EEG) based Brain-Computer Interface (BCI). In one implementation , we utilize posterior probabilities extracted from an LDA classifier as the continuous-valued outputs to PFVC. This way, PVFC modulates the speed of contour following tasks with respect to intention levels of motor imagery. The efficacy of our proposed robotic BCI framework with online modication of task speed is investigated by a set of human subject experiments with healthy volunteers. In particular, our approach is compared with the existing BCI-based virtual reality and robot-assisted rehabilitation techniques. Within this experiment, we have collected statistically significant evidence of the benecial effect of the hap-tic feedback during the mental imagery of subjects. Results also indicate that using BCI continuously rather than to initialize the movement only may b e preferable to ensure active participation of patients throughout the therapy. Finally, using the proposed BCI-based rehabilitation protocol shows no statistically significant difference in terms of mental imagery activity, compared to the rehabilitation protocol where the subjects are actively performing the real movement.