Realization of virtual fluid environment on a robotic gait trainer for therapeutic purposes

Abstract

Omurilik hasarı, serebral palsi veya inme gibi sağlık sorunlarına sahip hastalar fiziksel olarak desteklendikleri zaman yürüyebilmektedirler. Bu durum zaman içinde yürüme yeteneklerini geri kazanmalarına yardım etmektedir. Yürüyüş sırasındaki destek etkilerini yaratmak için çok sık kullanılan yöntemlerden biri akuatik rehabilitasyondur. Akuatik ortam aynı zamanda kas gelişimine yardım edecek şekilde hastalara direnç göstermektedir. Akışkan ortamın bir robotik system üzerinde gerçeklenmesi fizyoterapistlerin çeşitli akışkan parametrelerini değiştirerek terapiyi her hastanın özel durumuna göre ayarlayabilmesine imkan verecektir. Bu çalışmada, akışkan ortamlar rehabilitasyon amacı ile robotik yürüyüş sistemleri üzerinde gerçeklenmiştir. Kısmi olarak suya daldırılmış insan vücudu üzerine akışkan ortam tarafından etki eden kuvvet ve torkları hesaplamak için bir model geliştirilmiştir. Daha sonra bu model bir kontrol altyapısı oluşturulmak için kullanıldı ve oluşturulan bu kontrol altyapısı bir robotik yürüyüş cihazına uygulandı. Robotik sistemin parçalarının ağırlık ve sürtünme etkilerine karşı koyacak bir dengeleme algoritması geliştirildi. Yürüyüşün duruş fazı ve sallanma fazı arasında yumuşak bir geçiş olması için sadece vücut parçalarının kinematik verilerini kullanan bir algoritma geliştirildi. Sağlıklı bireylerle robotik yürüyüş cihazı ile yapılan deneylerle duruş-sallanma faz algoritması ve kara ve su ortamlarında oluşan yürüyüş karakteri farklılıkları doğrulandı, ve akışkan model parametrelerinde yapılan değişikliklerin yürüyüş karakterine olan etkileri değerlendirildi. Elde edilen sonuçlarla sanal akışkan ortamların robotik yürüyüş cihazları üzerinde gerçeklenebildiği gösterildi. Yapılan tork ölçümleri kontrol altyapısının robot parçalarını robota bağlı kullanıcıya hissettirmediğini göstermiştir. Akışkan modelin parametrelerinde yapılan değişikliklerin yürüyüş karakterinde önemli değişikliklere neden olduğu görülmüştür.

Patients with disorders such as spinal cord injury, cerebral palsy and stroke can perform full gait when assisted, which progressively helps them regain the ability to walk. A very common way to create assistive effects is aquatic therapy. Aquatic environment also creates resistive effects desired for increasing muscle activity. Simulating the fluid environment using a robotic system would enable therapists to adjust various fluid parameters so that the therapy is tailored to each patient's unique state. In this study, realization of a virtual fluid environment on a robotic gait trainer for rehabilitation purposes is presented. A model is created to determine torques and forces exerted on a partially submerged human body by the fluid environment. Then, the fluid model is used to create a control scheme which is implemented on a robotic gait trainer. A compensation algorithm is developed so that weight and friction of robotic links are countered. Smooth transition between stance and swing phases of gait is ensured with a developed algorithm that only uses kinematic data. Experiments with healthy subjects were done to verify the stance-swing algorithm, the changes in gait characteristics between land and water conditions, and to assess effects of changes in fluid model parameters to gait characteristics. It is shown that realization of virtual fluid environment on robotic gait trainer is achieved. The torque measurements showed that the controller was able to make the orthosis transparent to the patient. Significant changes in gait characteristic were observed by modifying fluid model parameters.