MIHAI MADALINAMASTER BIOINGINERIA PROTEZARII, AN I

APLICATII ALE ROBOTICII IN REABILITARE

Scurta prezentare

Robotica de reabilitare este o ramura importanta a bioingineriei medicale, in care clinicieni, terapeuti si ingineri sunt pusi sa colaboreze pentru a ajuta la reabilitarea pacientilor.Obiectivele importante in domeniu includ dezvoltarea de tehnologii implementabile care pot fi usor folosite de catre medici, terapeuti si pacienti si usurarea activitatilor de zi cu zi ale acestora.Robotii industrialiUn robot se diferentiaza de celelalte tipuri de aparate prin propria natura. Un robot este (definite data de Asociatia de Industrie Robotica din Statele Unite) un manipulator multifunctional reprogramabil special creat pentru a muta materiale, parti, unelte sau dispozitive specializate prin miscari programate specific pentru sarcina data.Desi un robot trebuie programat si modificat pentru a fi adaptat sarcinii sale specifice acesta poate fi folosit pentru a indeplini diferite sarcini. Robotii pot fi disponibili in mai multe modele cu diferite configuratii ale articulatiilor. Cele trei mari componente ale unui robot sunt componentele mecanice, senzorii interni si externi si programarea pentru controlul acestuia.Functionalitatea si aplicatiile robotilor de ultima generatie din ziua de astazi este diversa. Utilizarea robotilor in industrie a crescut radical inca de la inceputul anilor 60. Facilitatile robotice, cum ar fi fabrici automate in totalitate, sunt construite si schimba modul in care ne gandim la procesul de fabricare. Potentialul pentru folosul acestora in reabilitare deja poate fi vazut prin simplul fapt ca robotii folositi in industrie sunt programati sa execute aceleasi miscari pe care le face un operator uman. Sunt multe cazuri dovedite in care, prin repetarea acestor miscari programate ale robotilor industriali pot ajuta persoanele cu dizabilitati.In anii recenti, industriile mari au investit foarte mult in roboti si in automatizarea procesului de fabricare. Robotii mai sunt si angajati pentru a executa diferite sarcini care sunt considerate de oameni a fi mizere, dificile, migaloase sau periculoase. Un raport recent realizat de Robotics International of the Society of Manufacturing Engineers prezice ca vanzarile anuale de roboti se vor dubla pe la sfarsitul acestui deceniu si se vor mari de patru ori la sfarsitul acestui secol, crescand de la 240 de milioane de dolari in 1986 pana la 637 de milioane de dolari in 1995.Robotii industriali evolueaza constant. Robotii folositi curent in cercetare au anumite trasaturi avansate cum ar fi ultrasunetele, folosirea de camere de luat vederi si scanare piezoelectrica, dar si inteligenta artificiala in functiile de control, in navigatie, in planuirea sarcinilor si in utilizarea mai multor inputuri diferite ale senzorilor. Robotii inteligenti cu vedere, output pentru vorbire, recunoastere vocala si cu simt tactil sunt inca in faza de dezvoltare. Roboti mobili pot urmari o ruta preprogramata sau pot sa isi creeze propriul lor drum analizand mediul inconjurator si evitand obstacolele. Datorita complexitatii mecanismului in sine si a diverselor aspecte de care trebuie luate considerare cand vine vorba de crearea unui robot, robotica a devenit un domeniu interdisciplinar.Robotii de reabilitareAbilitatea de a manipula obiecte in mediul inconjurator este o trasatura umana.Fiind inapt de a folosi majoritatea uneltelor si dispozitivelor comune unui om sanatos, persoanele cu dizabilitati sunt limitate in modul in care isi pot controla imprejurimile. Adeseori, sunt facute investitii considerabile pentru a crea si cumpara dispozitive necesare oamenilor cu handicap. Desi robotii industriali au cunoscut o evolutie imensa datorita eficientei lor, robotii pentru persoanele cu dizabilitati nu au avut parte de o asemenea atentie. Datorita faptului ca numarul persoanelor cu handicap este mult mai mic fata de populatia sanatoasa nu s-a putut crea o piata pentru acest tip de roboti cum s-a facut pentru cei industriali. Doar o parte din nevoile oamenilor cu dizabilitati au fost satisfacute prin crearea de roboti specializati, restul ramanand a fi implementate.

Probleme care afecteaza design-ul si folosirea robotilor in reabilitareProbleme tehnologiceDesi robotii sunt programati pentru a face o serie limitata de actiuni, in reabilitare acestia au nevoie de o flexibilitate mult mai ridicata. Costul pentru a implementa roboti de reabilitare care nu vor fi limitati la executarea unor actiuni repetitive ar fi unul destul de mare. Ideal, un robot ar trebui sa interactioneze cu un mediu nestructurat, flexibil si des schimbator cu un minim de input din partea utilizatorului. Un robot de reabilitare ar trebui sa detecteze schimbari si parametri in mediul sau si sa isi adapteze actiunile pentru a fi cat mai eficient in reabilitarea utilizatorului.Fara aceasta capacitate, necesitatea utilizatorului de a schimba constant parametrii ar putea crea disconfort pentru acesta si ar spori rata de esec a aparatului. Un asemenea aparat ar avea nevoie de o inteligenta artificiala avansata si ar trebui sa fie dotat cu o varietate de senzori pentru a putea extrage informatiile de la utilizator fara ca acesta sa fie nevoit sa interactioneze direct cu robotul pentru a schimba setarile initiale.SenzoriiAcestia sunt folositi pentru a extrage informatii despre mediul inconjurator. Senzorii vor fi constant perfectionati pentru a putea reduce efortul depus de utilizator.Vedere mecanicaAcest lucru a fost creat initial pentru aplicatii industriale cum ar fi controlul calitatii. Robotul este dotat cu o camera si un procesor pentru a analiza informatiile vizuale. Desi aceasta tehnologie inca nu este perfecta, robotii de reabilitare sunt dotati cu camere de luat vederi si microprocesoare pentru a putea analiza cat mai bine nevoile persoanelor cu dizabilitati.

Senzori de proximitate Un proiect a incercat sa integreze un senzor tactil cu un senzor infrarosu de proximitate vizuala pentru a evita obstacolele. Alte dezvoltari in domeniu includ senzori care detecteaza obstacolele pentru baza mobila si pentru ca aparatul sa se poata puna singur la incarcat, apucare automata si modelarea obiectelor cu capacitatea calculatorului de a functiona reflexiv si modificarea fortei. Senzori de proximitatea infrarosu au fost folositi pentru a crea algoritmi de apucare automata pentru a detecta obiecte in fata sau intre clestii robotului.ClestiClestii, de obicei sunt facuti pentru actiuni specifice in mediul industrial, dar, aplicarea lor in reabilitare necesita ca acestia sa indeplineasca simpla actiune de a apuca. Pentru a putea apuca, unii clesti seama cu mana umana dar cu mai putine degete. Unele modele contin carlige, adezive si ventuze. Complexitatea clestelui si costul aparatului sunt intr-o relatie direct proportionala.Brate multipleUtilizarea mai multor brate de catre robot sporeste flexibilitatea acestuia si numarul de aplicatii la care poate fi folosit. O limitare a bratelor robotice pentru aplicatii de reabilitare este indeplinirea sarcinilor care necesita folosirea a doua brate simultan. O aplicatie poate sa necesite utilizare a doua maini robotice stationare pentru a putea indeplini o actiune. O limitare importanta a unui brat folosit de pacienti cu distrofie musculara a fost nevoia de a avea un al doilea brat sa fixeze obiecte ca primul brat sa isi poata indeplini sarcina. Operatiile cu doua brate au fost considerate si in aplicatiile industriale dar inca nu s-a putut gasi o solutie. Un robot cu doua brate care este ghidad vizual prin senzori avand un control integrat si comunicare cu mediul inconjurator ridicata poate sa asambleze cu succes orice obiect. Desi unii roboti de jucarie care au doua brate au fost scosi pe piata, doar o singura companie a putut sa furnizeze roboti de acest tip care sa poate indeplini sarcini personale.Alternative pentru controlCand lucram cu robotii, interfata om-masina este critica. Interfetele pot fi o simpla tastatura, un joystick cu axe multiple, input vocal si camere care detecteaza miscarea ochiului. Articularea controalelor antropromorfice ar putea usura necesitatea de a invata cum poate fi manipulat aparatul si ar reduce oboseala si sarcina cognitiva asociata cu folosirea excesiva. Sisteme care se pozitioneaza singure folosind camere, sonare si campuri magnetice de joasa frecventa sunt cercetate pentru a putea urmari capul unui chirurg pentru ca robotul sa pozitioneze ideal un microscop. Un proiect a luat in considere o varietate de metode pentru a detecta miscarile capului: o minge de spuma de tip roller, intrerupatoare EMG si diverse intrerupatoare comerciale.O unitate de control ultrasonica care poate fi pozitionata pe cap cu un joystick si input vocal a fost considerata pentru programele de reabilitare. Totodata a mai fost considerata si posibilitatea ca utilizatorul sa controleze manual clestele aparatului.Ar trebui mentionat ca orice forma de input de control are dezavantajele ei chiar daca este apogeul tehnologic in domeniu. De exemplu, comanda vocala usureaza pacientul de nesitatea de a se misca, dar aparatul poate fi controlat numai cu o singura miscare pe rand.Domeniul recunoasterii vocale are un potential ridicat pentru domeniul reabilitarii. Diverse aplicatii ale comenzilor vocale au fost cercetate pentru a ajuta persoanele cu dizabilitati. Acestea sunt dispozitive experimentale si comerciale care accepta comenzi vocale pentru a putea controla mediul inconjurator. Unele brate robotice au fost integrate cu control vocal pentru a putea fi folosite de catre persoane paraplegice in medii industriale si acasa. In comunicatii, recunoasterea vocala a fost folosita pentru a putea crea programe de traducere a diverselor limbi. In domeniul mobilitatii au inceput sa se implementeze comenzi vocale pentru scaune cu rotile robotizate.

Probleme nontehnologice legate de robotii de reabilitareCostul eficienteiUna dintre principalele probleme de transferare a tehnologiei robotice din domeniul industrial in cel medical a fost costul eficientei. Conditiile pe care un robot trebuie sa le indeplineasca pentru a putea fi cat mai eficient in ingrijirea unui pacienti includ capacitatea de a manipula obiecte, fiabilitatea, economiile create prin utilizarea unui astfel de aparat si acceptarea acestuia de catre pacient si asociati. Problemele legate de cost cum ar fi mentenanta, modificari aduse mediului inconjurator, investitorii trebuie luate in calcul.Una dintre cele mai mari probleme ale robotilor de reabilitare a fost gasirea de investitori pentru a putea suporta costurile de cercetare. In unele cazuri, prototipurile sunt demonstrate direct pe pacienti. Asa cum oamenii isi aleg aparatele electrice de zi cu zi dupa anumite criterii cum ar fi disponibilitatea, costul, intretinerea, comparabilitatea si adaptabilitatea, asa sunt alesi si robotii pentru uz medical.Acceptarea de catre utilizatorO problema constanta in implementarea robotilor in domeniul medical, mai ales in reabilitare, este frica si necooperarea de catre pacienti. Atitudinea despre schimbarile tehnologice variaza de la persoana la persoana dar cea mai comuna reactie este una negativa. Acesta si alti factori cum ar fi impactul implementarii robotilor asupra muncitorilor, muncii si mediul acesteia au fost studiate dintr-o perspectiva industriala. Introducerea de noi tehnologii trebuie facuta prin cai de comunicari deschise ale utilizatorilor. Probabil, tendinta oamenilor de a personifica obiectele din jur ar trebui luata in considerarea pentru viitoarea generatie de roboti, cum ar fi crearea de roboti cu o anumita personalitate.Cel mai mare grad de acceptare a robotilor a fost intalnit la pacientii cu un grad sever de dizabilitate, acestia putand beneficia pe deplin de serviciile aduse de robot. Mobilitatea acestora a fost crescuta semnificativ, ajungand aproape de cea a unui om sanatos. Pentru o persoana cu un handicap sever, obisnuit sa astepta ca altcineva sa faca lucrurile pentru el, dandui posibilitatea de a-si recastiga o parte din independenta prin intermediul unui robot s-a dovedit a fi un factor foarte motivant in majoritatea cazurilor.SigurantaSiguranta este o grija majora in aplicarea robotilor pentru reabilitare. Siguranta robotilor a fost o grija si in mediile industriale inca de la introducerea lor pentru prima data. Primul accident serios creat de un robot a fost in 1981 la o fabrica din Kawasaki, Japonia. Un lucrator la tura de noapte a fost sufocat de un robot. Prima lege a roboticii a lui Asimov spune ca un robot nu va putea niciodata sa raneasca un om sau, prin inactiune, sa permita ca acesta sa fie ranit. Aceasta lege este aplicata si in designul, cercetarea, evaluarea si aplicarea robotilor pentru uz uman. Masuri de siguranta vor trebui implementate in componenta fizica si in partea de soft a robotului.Urmatoarele sunt proceduri de siguranta sugerate odata cu implementarea robotilor in jurul oamenilor:- limitarea numarului de oameni care lucreaza in aproprierea, sau intra in contact cu robotul;-cei care lucreaza in jurul robotului trebuiesc mereu avertizati de miscarile, configuratiile sau pozitiile periculoase pe care le poate avea;-limitarea greutatii pe care robotul sa o suporte pentru a nu provoca defectiuni in controlul acestuia;-o persoana va fi desemnata mereu supraveghetor;-limitarea puterii robotului pentru a nu putea rani oamenii;-inlaturarea oamenilor de la spatiul de munca al robotului;-robotul va fi monitorizat constant.

ConcluzieFolosirea robotilor in scopul reabilitarii a crescut in ultimii ani. Acestia s-au dovedit a fi foarte utili datorita flexibilitatea lor in programare si potentialul pe care il au in a ajuta pacientii, atat fizic cat si psihic. Desi aplicatiile sunt restranse aceasta arie a medicinei va continua sa evolueaze si sa tinda spre perfectiune. In prezent, robotii sunt folositi doar pentru a putea manipula obiectele din jurul lor dar potentialul lor nu se opreste aici..