Researchers use MapleSim to develop musculoskeletal arm and robot models for rehabilitation - User Case Studies - Maplesoft

Fallstudie:
Forscher nutzen MapleSim, um Modelle eines Arms mit Bewegungsapparat und eines Roboters für die Rehabilitation zu entwickeln

Herausforderung
Die University of Waterloo benötigte in einer Zusammenarbeit mit dem Toronto Rehabilitation Institute und der Quanser Inc. ein Werkzeug, um das Zusammenspiel eines menschlichen Arms mit einem Rehabilitationsroboter besser zu modellieren.

Lösung
Die Simulation menschlicher Bewegungen ist besonders komplex und daher entschied sich das Team für MapleSim, um Impedanz-Controller zur Modellierung verschiedener Arten von Armbewegungen, von der ungehinderten Bewegung einer gesunden Person bis zur stärker eingeschränkten Bewegung eines Schlaganfallpatienten, zu entwickeln.

Ergebnis
Die symbolische Berechnungstechnologie von MapleSim und die Fähigkeit zur Erzeugung von optimiertem Code lieferten ein präziseres Modell als andere Werkzeuge. Das Team setzt MapleSim aktuell dazu ein, ein verfeinertes Modell zu entwickeln, bei dem die umgebenden Muskeln in das Armmodell integriert sind, um die Rehabilitation von Schlaganfallpatienten zu verbessern.


Bewegungsstörungen in den oberen Gliedmaßen, die bei Patienten nach einem Schlaganfall häufig auftreten, erfordern effektive Verfahren zur Rehabilitation. Rehabilitationsroboter werden mittlerweile klinisch eingesetzt. Vor dem Hintergrund neuer Erkenntnisse zum motorischen Lernen bleibt noch viel Raum für Verbesserungen der Konstruktion und der Steueralgorithmen dieser Roboter. So wird z.B. häufig bei der Konzeption und Entwicklung von Geräten für die Rehabilitation die Modellierung der Interaktion zwischen Mensch und Roboter vernachlässigt.

Ein erst in jüngster Zeit entstandener Forschungsbereich ist die Nutzung von Modellen des Bewegungsapparats zur Untersuchung menschlicher Bewegungen. Sie sind ein gutes Werkzeug, um bei Simulationen mit Rehabilitationsgeräten zu interagieren. Bei diesem Projekt haben die Wissenschaftler Borna Ghannadi und Dr. John McPhee bei der University of Waterloo MapleSim von Maplesoft eingesetzt, um ein Modell des Bewegungsapparats des menschlichen Arms zu erstellen, das die menschliche Bewegung für ein Rehabilitationswerkzeug der oberen Gliedmaßen simuliert, um neue modellbasierte Steuerungen dafür zu entwickeln. Der gesteuerte Roboter wird in Zusammenarbeit mit dem Toronto Rehabilitation Institute (TRI) und der Quanser Inc. getestet.


Das vereinfachte 2D-Ausgangsmodell des Arms

Der Roboter von TRI/Quanser ist ein planarer Roboter mit Endeffektoren, der Greifbewegungen in der horizontalen Ebene zur Therapie der Schulter und des Ellenbogens ausführt. Das Team hatte entschieden, dass ein guter Ausgangspunkt darin bestehen würde, ein vereinfachtes planares 2D-Modell des Arms mit Bewegungsapparat zu entwickeln, das aus zwei Gelenkverbindungen und sechs Muskeln bestehen sollte und bei dem keine Dehnbarkeit der Sehnen vorausgesetzt wurde.

After evaluating tools from multiple vendors, the team selected MapleSim for their model development work. Describing their choice, Dr. McPhee says “Taking into account simulation times and quality of results, MapleSim, because of its symbolic computation technology together with optimized code generation, performed better than the other software platforms. Therefore, we selected MapleSim for use throughout this project.”

Nach einem Vergleich der Werkzeuge verschiedener Anbieter wählte das Team MapleSim für die Entwicklung des Modells. Dr. McPhee erklärte zu dieser Entscheidung: „Hinsichtlich der Simulationszeiten und der Qualität der Ergebnisse zeigte MapleSim wegen seiner symbolischen Berechnungstechnologie und dem erzeugten optimierten Code eine bessere Leistung als die anderen Softwareplattformen. Daher haben wir MapleSim für das gesamte Projekt ausgewählt.“


Verwendete Simulationsmodi zur Kalibrierung und Bewertung des



as Team entwickelte einen Impedanz-Controller, der sich in einer Umgebung mit variabler Admittanz automatisch anpassen kann, um die verschiedenen Ausprägungen der Bewegungsstörungen bei Patienten in der Rehabilitation darzustellen. Die Steuerung wurde im 2D-Modell in vier verschiedenen Betriebsarten simuliert. Die ersten zwei Betriebsarten zur Simulation eines gesunden Arms dienten dazu, die Steuerung zu kalibrieren und abzustimmen, während die beiden übrigen Betriebsarten dazu verwendet wurden, anhand der Simulation des Arms eines Schlaganfallpatienten die Leistung des Geräts zu bewerten.


Messung der Muskelaktivierung während der Simulation



Der Fehler bei der Positionierung der Hand und das Maß der Muskelaktivierung wurden gemessen und bei den Simulationsdurchläufen in den verschiedenen Betriebsarten verglichen. Die Ergebnisse waren positiv und entsprachen den Erwartungen. Sie zeigten, dass es möglich ist, den planaren Roboter mit Hilfe von Modellen des Arms und des Bewegungsapparats zu bewerten.

Kontaktieren Sie Maplesoft, um zu erfahren, wie MapleSim bei Ihren Projekten angewandt werden kann.