In an aging society, injuries and diseases are the causes of the dysfunction of motor structures. Recovering the required efficiency of the motor structures, in addition to immediate medical help, usually requires a tedious and long-term rehabilitation process. In the classic approach, rehabilitation is conducted and carried out by a rehabilitator, whose work consists in selecting appropriate types of exercises to limit dysfunction and then physical work, consisting in performing the appropriate exercises with a rehabilitated limb. This paper presents the process of creating a rehabilitation robot at the Institute of Technology and Medical Equipment in Zabrze, which, in the future, can relieve the physiotherapist from performing physical work, while providing a diagnostic tool, thanks to data obtained from robot sensors. An objective and rapid estimation of the patient’s limb abilities can be valuable information that can be used to assess the progress of rehabilitation. Information about the progress of rehabilitation along with an attractive training scenario, in the form of 3D games, can be an important factor motivating the patient to long-term and laborious rehabilitation exercises.
PL
Starzejące się społeczeństwo, doznane urazy, przebyte choroby są źródłem dysfunkcji narządów ruchu. Odzyskanie wymaganej sprawności narządów ruchu, oprócz doraźnej pomocy medycznej, zazwyczaj wymaga żmudnego i długotrwałego procesu rehabilitacji. W klasycznym podejściu, rehabilitację prowadzi i realizuje rehabilitant, którego praca polega na dobraniu odpowiednich do dysfunkcji typów ćwiczeń, a następnie pracy fizycznej, polegającej na wykonywaniu odpowiednich ćwiczeń rehabilitowaną kończyną. Niniejsza praca prezentuje proces powstawania robota rehabilitacyjnego w Instytucie Techniki i Aparatury Medycznej w Zabrzu, który w przyszłości może odciążyć rehabilitanta od wykonywania fizycznej pracy, jednocześnie dając mu narzędzie diagnostyczne dzięki danym uzyskanym z czujników robota. Obiektywna i szybka ocena możliwości kończyny pacjenta może być cenną informacją, którą będzie można wykorzystać do oceny postępów rehabilitacji. Informacja o postępach rehabilitacji wraz z atrakcyjnym scenariuszem treningowym w postaci gier 3D może stanowić istotny czynnik motywujący pacjenta do długoczasowych i żmudnych ćwiczeń rehabilitacyjnych.
Przedmiotem pracy są badania symulacyjne mechanizmu wspomagania rehabilitacji kończyn górnych MWR. W artykule przedstawiono przegląd istniejących rozwiązań urządzeń wspomagających rehabilitacje oraz wskazano zasadność podjęcia tematu badawczego. Ponadto wykonano analizę dynamiczną w celu określenia sił oddziaływania w parach kinematycznych oraz momentów czynnych w napędach.
EN
The subject of this work are simulation research of the MWR mechanism. In the paper, the problems of devices supporting rehabilitation of an upper limb were addressed. Literature review and a description of selected devices together with an indication of their advantages and disadvantages were conducted. The proposed device has a modular structure, which is an alternative to conventional solutions of rehabilitation devices. Dynamic analysis determining active torques and loads in selected kinematic joints were carried out.
In this paper we consider a 4-link model of a human for simulating a forward fall. The model implemented in Mathematica is constructed based on a planar mechanical system with a non-linear impact law modelling the wrist-ground contact. The segments of the human body are modelled as bodies connected by rotary elements which correspond to the human joints. Parameters and kinematic relations used in numerical analysis are obtained based on the 3D scanned model of the human body created in Inventor and experimental observation by the motion capture system. Validation of the model is conducted by means of comparing the simulation of the impact force with the experimental data obtained from the force platform. The obtained ground reaction forces can be useful for the finite element analysis of the numerical model of the human upper extremity.
Zastosowanie modeli dynamiki w modelowaniu biomechanicznym pozwala na wyznaczenie obciążeń w układzie kostnym lub kostno-mięśniowym. Celem opracowania modelu dynamiki kończyny górnej jest wyznaczenie oraz analiza momentów działających na układ podczas wykonywania ruchu. Model matematyczny kończyny górnej o pięciu stopniach swobody został opisany przy pomocy równań Lagrange'a drugiego stopnia. Następnie, poprzez symulację zadanego ruchu rozwiązano zadane proste dynamiki. Opracowany model dynamiki został sparametryzowany na podstawie ogólnodostępnych danych antropometrycznych.
EN
Using dynamics models in the biomechanical modeling allows to determine the loads in the skeletal or bone-muscular systems. The aim of developing the dynamic model of the upper limb is to determine and analyze the torques, which appear in the system during motion. The mathematical model of the upper limb with five degrees of freedom has been described by Lagrange's equations. Next, the forward dynamics was solved by simulating a motion. The determined dynamics model was parameterized using anthropological data.
W publikacji przedstawiono zagadnienie modelowania matematycznego dynamiki ruchu kończyny górnej. Do opracowania modelu wykorzystano równanie różniczkowe Lagrange’a drugiego stopnia, które wymaga znajomości trajektorii ruchu bez konieczności poznawania sił reakcji w stawach. Można dzięki temu przybliżać momenty działające w stawach bez konieczności stosowania specjalistycznej aparatury medycznej przystosowanej do badania momentów, a wykorzystując jedynie systemy „Motion Capture”, które wyznaczają położenie znaczników na podstawie danych pomiarowych. Modelowanie dynamiki ruchu przy użyciu jedynie współrzędnych znaczników może być wykorzystywane w medycynie, szczególnie w fizjoterapii oraz rehabilitacji. Na podstawie założonych ruchów w stawach obliczono momenty, które wywołują dane ruchy i następnie rozwiązano proste zagadnienie dynamiki. Założenia modelowe opracowano na podstawie danych antropologicznych. Do sprawdzenia poprawności działania modelu wykorzystano dane literaturowe oraz własne przemyślenia na temat mechaniki ruchu po okręgu.
EN
The issue of mathematical modelling of upper limb motion is presented in the article. The Lagrange differential equation of secondary order was used for development of the presented model. The solution of the equation requires data describing of movement trajectory without necessity of assessment of reaction forces in joints. Referring to above it is possible to estimate the moments of force activated in joints which are determined by position of markers presented ony in the Motion Capture System. The calculation of moments of force was performed with predetermined motions in joints. Model assumptions were developed on the base of literature and own experiences, particularly on anthropological data and fundamentals of mechanics of circular motion.
Praca przedstawia model numeryczny kończyny górnej człowieka przydatny do analizy ryzyka złamania kości kończyny podczas upadku do przodu. W odróżnieniu od innych modeli spotykanych w literaturze, proponowany w tej pracy model uwzględnia wszystkie trzy główne kości kończyny górnej połączone powierzchniami stawowymi w stawie łokciowym i nadgarstkowym przy zastosowaniu kontaktu typu bonded jako jeden złożony układ biomechaniczny. Analizę dynamiczną przeprowadzono dla różnych konfiguracji kości przedramienia, wykorzystując dwa kryteria wytrzymałościowe do oceny potencjalnych miejsc złamań kości kończyny.
EN
The paper presents numerical model of the human upper extremity useful for the analysis of the upper extremity bones fracture risk during the falling process in a forward direction. Unlike previous models met in literature, the proposed in this paper model considers all three main upper extremity bones connected in the elbow and wrist joints by the bonded type contact as one complex biomechanical system. Transient analysis has been carried out for different forearm configurations by using two strength criteria to estimate possible sites of upper extremity bone fractures.
Purpose: The aim of this study was to determine the muscles with the lowest strength in nonaffected (non-A) and affected upper limb (A), to assess differences between men and women and to correlate these values with age in patients after stroke. Methods: Sixty hospitalized in Neurorehabilitation Ward patients (40 male, 20 female), 1-2 weeks after stroke, were enrolled to the study. Their age ranged from 50 to 80 years with a mean (sd) of 65,5 (18,7) years. Muscle force values from upper limb muscles were measured using the MicroFet 2 hand-held dynamometer. The results are displayed in newtons [N], mean values of muscular force, effect sizes and confidence intervals displayed as Cohen’s d and 95% CI were determined. Moreover, we made the coefficients correlation for differences in muscular force versus the Rivermead Motor Assessment (RMA) arm section. Results: Strength of (A) upper limb in comparison to (non-A) was 39% weaker. The severely affected muscle groups were the shoulder flexion 41% (women) versus 46% (men); elbow flexion 39% (women) versus 31% (men); wrist extension 36% (women) versus 42% (men). No significant correlations were found between muscle strength results and RMA or age. Conclusions: Muscle force of (A) upper limb after stroke demonstrates 39% decrease. Men show more significant decrease than women (40% vs 35%). Functional assessment in RMA values show the better results in women (4,9 ± 4,1) than men (3,4 ± 3,2).
Przestrzenne dynamiczne modele umożliwiające obliczanie obciążeń w układzie mięśniowo-szkieletowym stanowią pomocne narzędzia w procesach wspomagania diagnostyki dysfunkcji mięśniowych. Celem przeprowadzonych badań jest ocena obciążeń występujących w stawie ramiennym z wykorzystaniem przestrzennego modelu kończyny górnej opracowanego na podstawie modelu Free Posture Move w oprogramowaniu Anybody. Ocenę przeprowadzono z udziałem dziesięciu osób zdrowych na podstawie ruchu unoszenia kończyny. Z wykorzystaniem modelu wyznaczono wypadkową reakcję w stawie ramiennym, a następnie porównano ją z wynikami z literatury dla badań modelowych i badań z wykorzystaniem implantu.
EN
Static and dynamic models allow calculation of loads in musculoskeletal system and they are tool for doctors in diagnostic processes. The aim of the research is determination of loads in a upper limb using a 3D model based on Free Posture Move in AnyBody software. The calculation was carried out for 10 healthy people during elevation of their upper limbs. The resultant reactions in glenohumeral joints were calculated and then the results were compared to a literature data (from model calculated and measured with implants).
The article presents basics of the human upper limb’s anatomy, including skeletal system, joints and basic division of muscles in the limb. The biomechanics of the upper limb is introduced. The range of performed motions is depicted. The possible applications of anatomy and biomechanics of the upper limb are shown.
PL
Artykuł prezentuje podstawy anatomii kończyny górnej człowieka, z uwzględnieniem układu kostnego, stawów oraz wstępnego podziału mięśni działających na kończynę. Przedstawiono biomechanikę kończyny górnej. Opisano zakres ruchów realizowanych przez kończynę. Pokazano możliwe zastosowania wiedzy z dziedziny anatomii i biomechaniki.
W przeprowadzonych badaniach wykorzystano narzędzie inżynierskie jakie stanowi identyfikacja obciążeń w układzie mięśniowo-szkieletowym do diagnostyki osób z problemami neurologicznymi w obrębie kończyn górnych. Diagnostykę przeprowadzono w odniesieniu do wyników dla grupy 23 osób zdrowych. Obliczenia modelowe przeprowadzono z wykorzystaniem oprogramowania AnyBody i zweryfikowanego modelu Free Posture Move.
EN
In this study it was used the engineering tool such as the identification of loads of a muscle-skeletal system to diagnose of people with neurological problems in the upper limbs area. Diagnosis was carried out according to a group of 23 healthy subjects. Model calculations were computed using the Anybody software and using verified Free Posture Move model.
Paper presents experimental results of upper limb kinematics during cup drinking. 18 healthy men were examined in the frame of provided examinations. The aim of work was to determine differences in kinematics between right and left upper limb on the basis of symmetry index in following joints of upper limb: shoulder, elbow and wrist. Research were carried out using kinematic system MVN Biomech Xsens. They allowed to determine ranges of motion, and then indicators of symmetry in the joints of the upper limb. The results of analyzes indicate a lack of symmetry of the movements for the right and left upper limb among the examined healthy individuals.
PL
W pracy przedstawiono wyniki badań doświadczalnych dotyczących kinematyki kończyn górnych podczas czynności picia z kubka. Celem pracy było określenie różnic w kinematyce wykonywanych ruchów pomiędzy kończyną prawą i lewą na podstawie wskaźnika symetrii w stawach kończyny górnej: ramiennym, łokciowym i nadgarstkowym. W badaniach wzięło udział 18 zdrowych mężczyzn. Badania wielkości kinematycznych przeprowadzono z wykorzystaniem systemu MVN Biomech firmy Xsens. Pozwoliły one na wyznaczenie zakresów ruchu, a następnie wskaźników symetrii w stawach kończyny górnej. Wyniki przeprowadzonych analiz wskazują na brak symetrii wykonywanych ruchów dla prawej i lewej kończyny górnej wśród badanych zdrowych osób.
The article presents an analysis of ideal motion sequences selected by experienced physiotherapist. The study was performed using MVN BIOMECH system. In the analisys range of motion was indicated for wrist, elbow and shoulder joint for the each selected motion sequence. Additionaly, time normalised diagrams with division of motion phase were done. Results will be helpful in projecting therapeutic games in virtual reality environment that can be used for rehabilitation of children with neurological disorders.
PL
Artykuł prezentuje wynik analizy wielkości kinematycznych wybranych sekwencji ruchowych wykonanych przez doświadczonego fizjoterapeutę. Badania przeprowadzono z zastosowaniem systemu do analizy ruchu MVN BIOMECH w Centrum Pediatrii im. Jana Pawła II w Sosnowcu. W ramach badań wyznaczono zakresy ruchu dla stawu barkowego, łokciowego oraz nadgarstkowego w czasie trwania każdej sekwencji ruchowej oraz przeprowadzono analizę porównawczą znormalizowanych czasowo wielkości kinematycznych z podziałem na fazy ruchu. Wyniki pomiarów będą pomocne przy projektowaniu gier terapeutycznych w środowisku wirtualnej rzeczywistości, służących do rehabilitacji dzieci z zaburzeniami neurologicznymi.
The article introduced the issues related to the trajectory planning of manipulators used in the rehabilitation process. At the beginning author described the model parameters of the upper limb exoskeleton, as a kinematic chain, which was developed by the notation Denavit - Hartenberg. By using DH notation a computer model of upper limb with the script containing the necessary data for simulation by using package MATLAB - Simmechanics was prepared. The polynomial of the third and fifth degree with a detailed description of mathematical models for trajectory planning was characterized. The results of simulations using these models were presented. Simulation was performed by using the results of earlier studies inverse kinematics exoskeleton. The displacement and velocity of movement of selected joints were described. Presented trajectories could be used for exoskeletons in various applications as a rehabilitation and ergonomics.
PL
Artykuł wprowadza w problematykę związaną z planowaniem trajektorii ruchu manipulatorów wykorzystywanych w procesie rehabilitacji. Na początku przedstawiono parametry modelu egzoszkieletu kończyny górnej, jako łańcucha kinematycznego opracowanego przy wykorzystaniu notacji Denavita - Hartenberga. Następnie zbudowano model komputerowy ze skryptem zawierającym niezbędne dane do symulacji wykorzystując pakiet MATLAB - Simmechanics. Scharakteryzowano wielomian trzeciego i piątego stopnia ze szczegółowym opisem modeli matematycznych do planowania trajektorii. Przedstawiono wyniki symulacji przy wykorzystaniu tych modeli. Opisano modele prędkościowe (trapezowy i kosinusowy). Przeprowadzono symulację korzystając z wyników wcześniejszych badań kinematyki odwrotnej egzoszkieletu i zaprezentowano wyniki w postaci przemieszczeń i prędkości wybranych stawów ruchowych. We wnioskach nakreślono cel następnych badań.
Artykuł wprowadza w problematykę związaną z modelowaniem egzoszkieletów. Na początku przedstawiono etapy modelowania ze zwróceniem uwagi na zagadnienia z tym związane. Opracowano model kończyny górnej przy wykorzystaniu notacji Denavita - Hartenberga z parametrami opisującymi zależności kinematyczne występujące pomiędzy poszczególnymi elementami. Następnie określono przestrzeń roboczą urządzenia w zależności od wzrostu użytkownika. Przedstawiono macierz zależności pomiędzy poszczególnymi ogniwami urządzenia. Skonstruowano model komputerowy kończyny i egzoszkieletu przy wykorzystaniu oprogramowania SolidWorks, co po zaimplementowaniu danych dotyczących własności materiału pozwoliło na uzyskanie momentów bezwładności układu. Opracowany model w pakiecie MATLAB - SimMechanics umożliwił przeprowadzenie symulacji i określenie parametrów kinematycznych i dynamicznych podczas ruchu egzoszkieletu po zaplanowanej trajektorii. Zaprezentowano wyniki w postaci przemieszczeń, prędkości oraz momentów w funkcji czasu wybranych przegubów. We wnioskach nakreślono cel następnych badań.
EN
The article introduced the problems related to the exoskeleton modelling. At the beginning author described the exoskeleton modelling steps with focusing on issues associated with it. Upper limb model was developed by using the notation Denavit - Hartenberg and parameters describing the kinematic dependencies occurring between the individual elements. Maximum workspace of the exoskeleton depending on the height of the user was presented. The adjacency matrices showed the relationship between the individual cells were proposed. By using DH notation a computer model of upper limb with the script containing the necessary data for simulation by using package MATLAB - Simmechanics was prepared. The velocity cosine profile with limitations in angular speed was elaborated. The kinematic and dynamic parameters were obtained by using simulation. The velocity and torque results as a time function of selected joints were presented on charts. Further research could be carried out to complement the results obtained in the study.
Wykorzystanie nowoczesnych systemów Technologii Wirtualnej Rzeczywistości takich jak kaski 3D, cieszących się dużym powodzeniem w wybranych procesach terapeutycznych lub systemów typu Cave, pozwala w bardzo dobrym stopniu odwzorować rzeczywistość. Stosowanie tego typu systemów pozwala zindywidualizować procesy diagnostyczne i terapeutyczne, tworzy system bardzo uniwersalny. Głównym celem przeprowadzonych w ramach artykułu badań było określenie zdolności manipulacyjnych i koordynacji wzrokowo-przestrzennej dla dzieci z zaburzeniami neurologicznymi w systemie wykorzystującym Technologię Wirtualnej Rzeczywistości. Przeprowadzone badania wykazały znaczny wpływ skomplikowania wykonywanego ćwiczenia na sprawność z jaką dzieci wykonywały ruch – czym zadany do wykonania ruch był bardziej skomplikowany tym dzieci miały większe problemy z wykonaniem ćwiczenia. Zaobserwowano również, iż terapia z wykorzystaniem wirtualnej rzeczywistości wzmacnia motywacje do wykonywania żmudnych ćwiczeń poprawiających sprawność fizyczną i intelektualną.
EN
The using of modern technology and Virtual Reality systems turns out to be successful in selected therapeutic processes The use of this type of system allows you to customize the diagnostic and therapeutic processes, creates a very versatile system. The main aim of this article as part of the study was to determine the ability of manipulation and coordination for children with neurological disorders in a system using Virtual Reality technology. The study showed a significant effect of complexity of exercises performed on the efficiency with which children perform movement. It was also observed that therapy using virtual reality reinforces the motivation to perform strenuous exercises and improvement of physical and intellectual skills.
Artykuł przedstawia przeprowadzone badania zakresu ruchomości stawów kończyny górnej za pomocą elektrogoniometrów. Przedstawione wyniki badań z wykorzystaniem elektrogoniometrów elastycznych firmy Biometrics Ltd miały na celu wyznaczenie minimalnego i maksymalnego kąta oraz zakresu ruchomości kątowej w trzech głównych stawach kończyny górnej. Badania składały się z serii pięciu pomiarów dla ruchów zginania i prostowania oraz odwodzenia i przywodzenia stawów barkowego i nadgarstkowego oraz dla ruchu zginania i prostowania stawu łokciowego.
EN
The article shows the researches of range of movement in joints of upper limb made with electrogoniometers. The researches were made for typical moves in shoulder, elbow and wrist joint. The results show the minimum and maksimum angle and the range of motion in three main joints of upper limb.
Technika rzutu odgrywa niebagatelną rolę w większości dyscyplin sportowych, związanych z rzutem przedmiotu do celu. W artykule przedstawiono metodykę badań kinematyki kończyny górnej, podczas rzutu lotką dart. Pomiary zostały przeprowadzone za pomocą elektrogoniometrów Noraxon. Wyniki pomiarów wykorzystano do wyznaczenia zakresów ruchu w stawach kończyny górnej oraz oceny kinematyki rzutu na celność.
EN
Throwing technique plays a major role in most sports, associated with the projection of the object to the target. The article presents a study on the kinematics of the upper limb during dart throw people, that do not have previously more contact with that sport and summarizes registered mobility of joints of the upper limb, with the general, theoretical guidelines to optimize the obtained results.
Artykuł przedstawia przeprowadzoną analizę kinematyczną kończyny górnej podczas gry na skrzypcach. Przedstawione wyniki badań z wykorzystaniem systemu MVN Biomech firmy XSENS miały na celu wyznaczenie minimalnego i maksymalnego kąta oraz zakresu ruchomości kątowej w trzech głównych stawach kończyny górnej smyczkującej podczas wykonywania określonych sekwencji pociągnięć smyczkiem po kolejnych strunach skrzypiec.
EN
This article presents the undertaken kinematic analysis of the upper extremity while playing the violin. The researches were done by MVN Biomech from XSENS company. The researches had to lay down the minimum and maximum angle and angular range of motion in the three main joints of the upper extremity while performing certain sequences of bow strokes on a violin. Data analysis consisted of averaging the 12 replicated values recorded during researches and calculation of the angular range of motion for each joint of the upper extremity.
This paper touches upon the issue of designing of an upper-limb exoskeleton used for rehabilitation. Mainly there are presented the results concerning the mechanical design. The exoskeleton, also known as orthosis, has 12 degrees of freedom (DOF). Among 12 DOF there can be distinguished 7 DOF which are actively controlled during rehabilitation, 3 passive DOF which are responsible for wrist movements, and 2 adjustable DOF used for links elongation. An orthosis has been specifically designed to accomplish requirements of medical applications. Described exoskeleton is a key-component of the upper-limb rehabilitation robot.
PL
Artykuł opisuje zagadnienia konstrukcyjne związane z projektem egzoszkieletu przeznaczonego do rehabilitacji kończyny górnej. Egzoszkielet, zwany również ortezą, posiada 12 stopni swobody. Wśród nich można wyróżnić 7, które są aktywnie sterowane w trakcie przebiegu rehabilitacji, 3 bierne związane z ruchami nadgarstka oraz 2 stopnie swobody nastawcze, związane z dostosowywaniem ortezy do długości kończyny pacjenta. Opisywany egzoszkielet jest kluczową częścią opracowanego robota rehabilitacyjnego.
20
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Rehabilitation of post stroke patients with upper extremity motor deficits is typically focused on relearning of motor abilities and functionalities requiring interaction with physiotherapists and/or rehabilitation robots. In a point-to-point movement training, the trajectories are usually arbitrarily determined without considering the motor impairment of the individual. In this paper, we used an optimal control model based on arm dynamics enabling also incorporation of muscle functioning constraints (i.e. simulation of muscle tightness) to find the optimal trajectories for planar arm reaching movements. First, we tested ability of the minimum joint torque cost function to replicate the trajectories obtained in previously published experimental trials done by neurologically intact subjects, and second, we predicted the optimal trajectories when muscle constraints were modeled. The resulting optimal trajectories show considerable similarity as compared to the experimental data, while on the other hand, the muscle constraints play a major role in determination of the optimal trajectories for stroke rehabilitation.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.