Memorias del XV Congreso Mexicano de Robótica 2014 Universidad Autonoma de Sinaloa XVI COMRob 2014, ISBN: En trámite 6 8 de Noviembre, 2014, Mazatlán, Sinaloa, México XVI COMRob2014/ID-042 INTERFAZ HÁPTICA TELEOPERADA PARA REHABILITACIÓN PEDIÁTRICA Carlos E. López Padilla 1, José L. Acosta García 1, Walter Perez C. 1 Manuel A. Lugo Villeda 2, Gloria I. Téllez Rodríguez 1 e Ismaylia Saucedo Ugalde 1 1 Ing. en Informática 2 Ing. en Biomédica Universidad Politécnica de Sinaloa Mazatlan, Sinaloa 2012030246@upsin.edu.mx, 2012030252@upsin.edu.mx, 2012030270@upsin.edu.mx mlugo@upsin.edu.mx, gtellez@upsin.edu.mx y isaucedo@upsin.edu.mx RESUMEN La terapia ocupacional es una parte fundamental en el proceso de recuperación de una persona después de que ha sufrido un daño cerebral adquirido u otro tipo de lesión. La terapia ocupacional a través de sus actividades pretende capacitar al individuo para alcanzar el mayor grado de independencia posible en su vida diaria, contribuyendo a la recuperación de su enfermedad y/o facilitando la adaptación a su discapacidad. En este trabajo se muestra la aplicación de tecnología háptica para apoyar la terapia ocupacional tradicional. El sistema consta de dos dispositivos hápticos Phantom Omni, los cuales son conectados para efectos de teleoperación a distancia mediante internet, cada dispositivo cuenta un control porporcionalderivativo y retroalimentación de fuerza. Se realizaron pruebas simples en pacientes pediátricos con diferentes tipos de discapacidad. Cada paciente realiza diversos patrones de movimientos con el dispositivo y es evaluado por el terapeuta mediante la obtención gráfica de los movimientos. Finalmente se muestran los resultados y conclusiones. 1. Introducción En México, al año 2012, 5.7 millones de personas padecen de alguna discapacidad, de los cuales 520 mil niños padecen de algun tipo. La discapacidad más frecuente entre la población de 0 a 14 años es la limitación para caminar, moverse y subir o bajar escaleras, con un 29.5% de casos; le siguen las limitaciones para hablar o comunicarse (28.3%), mental (19.3%), ver (17.8%), poner atención (15.9%), escuchar (7.4%) y, finalmente, la limitación para vestirse, bañarse o comer (7.3%). En la población infantil, los problemas derivados del nacimiento son la principal causa de discapacidad en todos los tipos (67.4%); en segundo lugar, se ubican la discapacidad por enfermedad (17.8%), por más de una causa (6.4%), accidentes (4.9%); y existen 3.4% de los casos en los que no especificó su origen [1]. Debido a estas discapacidades en la población mexicana, se han desarrollado diversas tecnologías para el apoyo a personas con discapacidad, para ello, en los últimos años los dispositivos hápticos han influido en el área de la medicina y de rehabilitación física mediante tecnologías virtuales. Estos dispositivos permiten al usuario tocar, sentir y manipular objetos tridimensionales dentro de un ambiente virtual. El usuario interactua con los entornos vituales mediante un dispositivo el cual le da una sensación de presencia física a través de la retroalimentación de fuerza. En investigaciones anteriores [2] [3] se ha demostrado la eficacia que los dispositivos hápticos en cuanto a la rehabilitación de niños con distintas discapacidades, y han tenido un resultado positivo, ya que con este tipo de tecnologías podemos ayudar al paciente de una manera diferente a la tradicional mediante los entornos virtuales, donde el paciente puede llevar un conjunto de actividades que le apoya en su rehabilitación.
2. Plataforma Experimental La plataforma experimental utilizada es el Phatom omni R de Sensable Technologies, Inc. (Ver Figura 1). Es una interfaz háptica tipo joystick de configuración serial con 6 GDL y realimentación de fuerzas nominales máximas de hasta 3.3.N en tres ejes x,y,z. El dispositivo muestra un rango de valores del ángulo 3. Características de la plataforma háptica teleoperada Los principales objetivos de la plataforma son el de obtener resultados de los movimientos de las personas, por lo que es necesario graficar dichos resultadosy con esto verificar y analizar las gráficas para observar los avances en la recuperación de los pacientes. FIGURA 1. Dispositivo Haptico Phatom omni Las herramientas computacionales y de programación que se usó para realizar el sistema teleoperado fueron los siguientes: Hardware: Dos dispositivos hápticos (Phatom Omni) y dos computadoras de escritorio con las siguientes características: 2 GB de memorita ram Procesador de 2.00 GHZ Memoria de video de 32 MB o superior. Tarjeta IEEE-1394 FireWare R port; 6 pin to pin. Software: Sistema operativo windows xp o windows 7. Visual Studio 2008 en lenguaje C/C++. Matlab 2008. es de -50 a 55 y para θ 2 es desde 0 a 105, (ver Figura 2). Hay que considerar que existe la simetría cilíndrica cinemática de acuerdo a los diferentes valores de θ 1. Debido al diseño mecánico del dispositivo el rango de θ 3 no es constante y depende del valor de θ 2 y del ángulo entre los brazos del dispositivo háptica. El espacio 4. Modelo cinemático del dispositivo El modelo cinemático del dispositivo se muestra en [3], solo se tomaron en cuenta los tres grados actuados que el dispositivo posee, las medidas de los eslabones y las restricciones físicas que tiene las articulaciones que los conforman. La cinemática directa establece la relación entre las coordenadas cardinales (posición del efector final) y las medidas articulares (ángulos que forman las articulaciones). La cadena cinemática del dispositivo háptico, está representada en la Figura.3 así como una serie de variables y constantes que están implicadas en el modelo; FIGURA 2. Modelo articular del Phatom omni. de trabajo del dispositivo es suficiente para la manipulabilidad del entrono de trabajo llevado acabo por el infante. FIGURA 3. Modelo cinematico
Donde las constantes L1=L2=0.135m representan la medida de los eslabones, A=0.035m, L4=L1+A y L3=0.025m representan variables de apoyo para la obtención del modelo cinemático. El vector en el efector final denota la posición de este mismo con respecto a su centro de coordenadas fuente. Inicialmente este centro está representado por C donde los ejes de rotación θ 1 y θ 2 se interceptan. Los elementos de las posiciones correspondientes a la cinemática directa, son dados por1 x = s 1 (L1c 2 + L2s 3 ) y = L3 L2c 3 + L1s 2 z = L4 + c 1 (L1c 2 + L2s 3 ) (1) Ingresando, en las dos aplicaciones la dirección ip del dispositivo servidor. Con esto es posible realizar un enlace a distancia que nos permita enviar y recibir datos, en cualquier lugar donde se cuente con una conexión a internet, tomando en cuenta la latencia que se pueda generar por la distancia y el tráfico al que pueda estar sujeto la red. 5.1. Algorítmo de la teleoperación Para la realización del proceso interno de la aplicación se utilizaron diferentes librerías tanto propias de SDK Windows, como propias del dispositivo háptico que vienen el Haptic Device API(HDAPI), el algorítmo como tal se puede observar en la Figura 5. Donde c x = cosθ x y s x = sinθ x Este modelo es util en el desarrollo del controlador. 5. Comunicación vía internet y control de posición La comunicación entre los dos dispositivos se realiza mediante la red. Para lograr esto, se decidió usar el protocolo de comunicación TCP/IP, debido a las características con las que este cuenta, siendo estas las que más nos favorecían. La conexión es establecida mediante sockets programados en el lenguaje C/C++. Para su realización se utilizó la librería winsock, que indispensable para el manejo de sockets en la plataforma de Windows. Para establecer dicha comunicación es necesario que las computadoras donde están operando los dos dispositivos cuenten con una dirección ip, asignada estáticamente de preferencia. Una de estas funge como servidor y la otra como cliente (bajo el esquema cliente-servidor) representado en la Figura 4. FIGURA 5. Diagrama del proceso FIGURA 4. Esquema de conexión En este vemos que lo primero es inicializar la conexión entre los dos dispositivos, siendo esta una condición necesaria para que se pueda ejecutar la aplicación. En este punto es donde se ingresa la dirección ip de la computadora servidor. Posterior a esto se inicializa el dispositivo utilizando el API del mismo [5]. Para ello
se utilizan diferentes funciones que preparan al dispositivo. Posteriormente capturamos los vectores de posicio n cartesiana y el vector de velocidad lineal de un punto dado en los dos dispositivo ha pticos, esto se realiza mediante una librerı a que esta integrada en el API del dispositivo. La funcio n te retorna como resultado un vector de 3x1 con los datos; estos datos se preparan para ser enviados a trave s de la red en texto plano, se envı an, y este entra en modo de espera, hasta recibir los datos del dispositivo cliente. El dispositivo cliente recibe estos datos y sigue con el proceso. Al calcular las fuerzas en los dos dispositivos estas se aplican utilizando una funcio n, que como para metros, pide un vector de las fuerzas, dicha funcio n esta integrada en la API del dispositivo. Como se puede observar las dos aplicaciones interactu an entre si y afectan el tiempo de ejecucio n de la otra, ya que en las funciones con las que reciben los datos, detiene la ejecucio n de esta hasta que reciba los datos que la otra le envı a. Controlador proporcional-derivativo Para calcular las fuerzas que se le deben aplicar a los dos dispositivos y con los cuales se pudo realizar la teleoperacio n con retroalimentacio n se utilizo un control de posicio n de tipo proporcional-derivativo. Cada dispositivo se ha categorizado como dispositivo cliente y dispositivo servidor, en donde las fuerzas aplicadas a los motores del dispositivo cliente son producto de la posicio n actual del dispositivo servidor, por lo tanto, el control esta representado por: an os de edad, que padecen diferentes patologı as, entre las que se encuentran dan os, para lisis y lesiones cerebrales, ası como problemas de lenguaje y de atencio n. Para dichas pruebas se utilizaron los dos dispositivos ha pticos, dejando en manos del terapeuta el control del dispositivo cliente, cediendo el control del otro dispositivo haptico al paciente. 5.2. f c = kp( pc ps ) + kd( vc vs ) (2) FIGURA 6. Plantillas de madera Aunado a esto se usaron un par de plantillas de madera con forma de cı rculo y lı nea (ve ase en Figura 6), con ellas se penso en obtener los datos de posicio n que los pacientes describı an al seguirlas, esto para observar el progreso, y diferencia entre las distintas patologı as presentes en los pacientes. Por lo cual podemos observar en la Figura 7 los movimientos del servidor, es decir los movimientos impartidos al paciente por el terapeuta y como el paciente respondio a dicho movimiento en el dispositivo cliente. Donde kp y kd son las constantes proporcional y derivati varespectivamente, ps = (xs, ys, zs )T y pc = (xc, yc, zc )T son las posiciones cartesianas de los dispositivos servidor y cliente, y vs = (x s, y s, z s )T y vc = (x c, y c, z c )T las velocidades cartesianas. Los valores utilizados para las constantes es kp = 3,6 y kd = 0,001. Al igual que en el dispositivo cliente se le aplico un control de posicio n PD para el ca lculo de las fuerzas, con la diferencia de que no se aplica fuerzas al dispositivo servidor a menos que el dispositivo cliente, se le oponga una fuerza mayor que desvie su trayectoria. A trave s de (2) es posible controlar ambos dispositivos, siendo de esta manera un esquema maestro-maestro entre ambos dispositivos; la relacio n que existe entre ellas permite sentir el entorno donde el dispositivo cliente se encuentra, a trave s del dispositivo servidor. 6. Pruebas experimentales Se realizaron pruebas en un Centro de Rehabilitacio n Local, con pacientes de terapias ocupacional de entre 3 y 10 FIGURA 7. Gra ficas trazadas por el terapeuta y el paciente Tambie n se realizaron pruebas con el prototipo de un entorno virtual ha ptico, con el fin de ver el grado de atencio n y comodidad que reflejaban los pacientes al utilizarlo, los datos obtenidos con las plantillas se muestran en la Figura 8. El entorno virtual esta conformado por un tria ngulo, resultado de la unio n de tres lı neas. Se cuenta tambie n con una serie de nu meros, estos tiene retroalimentacio n haptica que asemeja al sentir de las plantillas, pero sin la limitacio n de un espacio c 2014 by AMRob
FIGURA 8. Entorno virtual Referencias [1] INEGI, Mujeres y hombres en México 2012, [2] J. A. Turijan-Rivera, F. A. Machorro-Fernandez, F. J. Ruiz- Sanchez, V. Parra-Vega and O. A. Dominguez-Ramirez NASA-TLX Assessment of Modern Close Loop Controllers in Haptic Guidance for Assisted Rehabilitation,2013. [3] Alejandro Jarillo-Silva, Omar A. Domínguez-Ramírez, Vicente Parra-Vega y J. Patricio Ordaz-Oliver PHANToM OMNI Haptic Device: Kinematic and Manipulability,2009. [4] J. A. Turijan-Rivera, F.J. Ruiz-Sanchez, O. A. Dominguez- Ramirez, V. Parra-Vega Modular Platform for Haptic Guidance in Paediatric Rehabilitation of Upper Limb Neuromuscular Disabilities,2013. [5] SensAble Technologies, Inc. R All rights reserved. Printed in the USA. OpenHaptics ProgGuide en dos dimensiones, ya que obliga al paciente a orientarse y ubicarse un entorno tridimensional, al mismo tiempo esta aplicación tiene la capacidad de transmitir los datos al otro dispositivo háptico controlado por el terapeuta, haciendo sentir las fuerzas a las que está siendo sometido el infante, con el objetivo de incluir al terapeuta y darle la capacidad de corregir al paciente de ser necesario. El entorno virtual está representado en la Figura 8. 7. Conclusiones Se observó que al realizar la teleoperación, es necesario calibrar las constantes del control proporcional-derivativo esto con el fin de obtener la mayor sincronía posible entre los dos dispositivos, reduciendo el tiempo de latencia considerablemente. Esta latencia también está sujeta a cambio dependiendo de la calidad de la conexión establecida entre los dos dispositivos. En pruebas con pacientes se observó que los ejercicios propuestos con las plantillas generaron poco interés en ellos, así como resultaron complicados de seguir debido al diseño del dispositivo háptico esto porque el efector final bloqueaba la visión del paciente, lo contrario sucedió con el entorno virtual. Este llamaba la atención de los pacientes inmediatamente motivándolos a seguir usando el dispositivo, sin embargo, se les dificulto orientarse en este debido a la posición de los objetos. Por último, la observación más importante que se realizó durante las pruebas con pacientes, es que resultó que la fuerza aplicada al dispositivo contrario lo por el infante, no era la suficiente para detenerlos o poderlos guiar hacia un punto determinado, esto es necesario analizar para poder realizar cambios favorables en el sistema. 8. Agradecimientos A quién nos abrió las puertas a un nuevo y emocionante mundo, en el que podemos hacer mucho más con lo que sabemos. En memoria de Abraham Briseño Cerón.