aspecte ergonomice la proiectarea echipamentelor specifice ingineriei reabilitarii

8/19/2019 Aspecte Ergonomice La Proiectarea Echipamentelor Specifice Ingineriei Reabilitarii

http://slidepdf.com/reader/full/aspecte-ergonomice-la-proiectarea-echipamentelor-specifice-ingineriei-reabilitarii 1/6

ASPECTE ERGONOMICE LA PROIECTAREA ECHIPAMENTELORSPECIFICE INGINERIEI REABILITRII

Dan MÂNDRU, Rare CRIAN, Stelian STAN

Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca

Abstract : Rehabilitation engineering is the application of science and technology to ameliorate thehandicaps of individuals with disabilities. The key concept (that of residual function) in physical and sensoryrehabilitation is presented. The terms Ergonomics, Human Engineering or Usability Engineering are use

interchangeably for the process utilized to achieve highly usable equipment. The use of ergonomicknowledge in rehabilitation engineering is wide–spread, ranging from wrist and hand splints to

sophisticated artificial limbs, from basic walking aids to complex wheelchairs and scooters. The maincharacteristic of the rehabilitation equipment is unrestricted functionality, meaning functionality with no further constrains. The necessary command must be adapted to the assisted person capacity. The equipmentmust have adequate weight and volume, must be aesthetic, low noise, energetic autonomy, safe support and fixation. Some projects of the authors are described: upper limb prostheses and orthoses, walk assist deviceand reachers.

Cuvinte cheie: ergonomie, ingineria reabilit (rii, tehnologie asistiv(.

1. Reabilitarea i ingineria reabilit$rii

Reabilitarea este forma de asisten medico-

social complex, dar unitar în concepie, ce sedesf oar continuu i are ca scop final reintegrarea persoanelor cu dizabiliti sau cu handicapuri însocietate i familie, [1], [7].

Principiul de baz al reabilitrii presupune c

orice procedur recuperatorie s fie precedat deexplor ri pentru evaluarea funciilor restante, aintegritii anatomice i a s trii psihice (aa numitulrestant morfo-funcional i psihic al bolnavului).Reabilitarea se bazeaz pe acest restant. El estecuantificat, meninut i dezvoltat pentru a sprijini procesele spontane sau dirijate de adaptare i

compensare a acestuia. Ingineria reabilit (rii const în aplicarea tiinei i

tehnologiei pentru a ameliora pierderile funcionale

ale persoanelor cu disfuncionaliti sau handicapuri,[7], [12]. Astfel, orice dispozitiv, aparat,echipament, tehnic sau concept utilizat în

reabilitare i care are baze tehnologice, intr îndomeniul ingineriei reabilitrii.Strategia firmelor i companiilor de specialitate,

[14], urmrete realizarea unor produse unice,adaptate utilizatorului i înelegerea limitrilorfuncionale ale potenialilor utilizatori, ersonaeuman fiind integrat în procesul de proiectare.

Principiul funciei restante este pe deplinrespectat i în cadrul ingineriei reabilitrii. Aceastaimplic faptul c o anumit funcie motric,senzorial sau de comunicare, poate fi cuantificat,cunoscut în condiii de sntate, evaluat la

persoanele cu dizabiliti sau cu handicapuri, fiindasigurate metodele i mijloacele de a utiliza lamaxim capacitile restante.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOVCatedra Design de Produs i Robotic$

Simpozionul naional cu participare internaionalPR oiectarea ASIstat de Calculator

P R A S I C ' 0 2Vol. III – Design de Produs

7-8 Noiembrie Braov, RomâniaISBN 973-635-076-2



2. Produse specifice ingineriei reabilit$rii

Produsele specifice ingineriei reabilitrii au cai scop un proces de reabilitare mai rapid i maiconcret. La proiectarea i realizarea lor prezintinteres acei factori care influeneaz, în final, performanele utilizatorilor. Aplicarea principiilor

de ergonomie în ingineria reabilit (rii asigur ( cea

mai bun( adaptare a unui echipament la

utilizator ,i a acestuia la mediul s(u.Cele mai semnificative domenii de activitate ale

ingineriei reabilitrii , f r a se limita doar la acestea,sunt (fig. 1), [3], [4], [7]:

Fig. 1

- echipamentele de asistare sau de suplinire afunciilor motrice i senzoriale, în special proteze iorteze pentru membrele superioare i inferioare;

- stimularea electric funcional, (re)activareagrupelor musculare paralizate într-o manier comandat i controlat;

- robotic medical, pentru tele-asistare a persoanelor cu handicap;- echipamente pentru asigurarea stabilitii

posturale;- crucioare pentru handicapai, echipamente

pentru redarea mobilitii i pentru transport;- asistarea funciilor de comunicare;- echipamente i tehnici destinate procesului de

educaie i instruire a persoanelor cu handicap;- biomecanic i biomateriale;- msurarea performanelor umane;- modificri i adaptri ale mediului în care

opereaz persoanele cu handicap.Ansamblul format din echipamentul de

reabilitare i utilizator trebuie considerat ca i o n o u

unitate locomotoare sau senzorial, cu caracteristicidistincte, determinate de capacitile restante aleutilizatorului, de performanele funcionale aleechipamentului dar i de gradul de integrare aacestuia cu organismul utilizatorului.

3. Condi1ii impuse echipamentelorde reabilitare

Condiiile impuse echipamentelor de reabilitaresunt determinate de condiia de baz, numit

func ionalitate nerestrictiv, conform creia acesteatrebuie s compenseze limitele determinate dedizabilti f r a introduce alte restricii sauconstrângeri suplimentare. Astfel, au fost identificateurmtoarele condiii generale:

- condiii pentru evitarea constrângerilor

produse de adaptarea echipament – utilizator (serefer la adaptarea dimensiunilor echipamentului ladimensiunile antropometrice ale utilizatorilorasigurând stabilitate, o circulaie sanguin optim,integritatea musculaturii restante);

- condiii pentru evitarea constrângerilor deutilizare (se refer la greutatea i volumulechipamentelor, dar i la capacitatea limitat autilizatorilor de a genera i transmite informaii cu ovaloare semantic bun; mpugn, se mpugncondiii referitoare la simplitatea constructiv i lasimplitatea modalitilor de comand);

- condiii pentru evitarea constrângerilor deacomodare, relaionale i biologice (sunt strânslegate de tehnicile de învare în vederea utilizriiechipamentelor, de percepia de inutilitate sau dedependen pe care o are utilizatorul dar i decondiiile pe care trebuie s le îndeplineasc

echipamentele pentru a fi acceptate de cei din jur,adic s fie estetice i neocante).

O bun proiectare a interfeei echipament –utilizator reduce costurile i durata învrii învederea utilizrii. De multe ori, erorile de utilizaresunt determinate de etapa de proiectare a interfeei.

Aceste erori nu numai c vor determina o recuperareineficient, lent, întârziat dar pot conduce laaccidente. Prin intermediul interfeei, utilizatorultrebuie s fie capabil s controleze echipamentul,utilizând pentru aceasta semnale biologice.Caracteristicile acestor semnale biologice, generatede ctre o persoan cu dizabilitate sau handicaplocomotor, senzorial sau psiho – intelectual, pentrucomanda propriului echipament pot fi sistematizatedup cum urmeaz:- s fie mrimi fizice msurabile, ce iau valori într-un interval [Vmin, Vmax] valorile extremecorespunzând unui efort maxim al utilizatorului,respectiv unui efort nul;



- utilizatorul s poat menine semnalul biologic uninterval de timp Bt între limitele Vx i Vy dinintervalul [Vmin, Vmax] (proprietatea de stabilitate);- utilizatorul s poat menine valoarea semnalului biologic la o valoare V0 din intervalul [Vmin, Vmax]f r un efort deosebit;- utilizatorul s poat modifica valoarea semnaluluide comand de la o valoare Va stabilizat cu ocantitate BV cât mai mic (proprietatea de sensibilitate);- utilizatorul s poat reproduce o anumit valoareV b a semnalului biologic atât la timpul t cât i latimpul t+Bt (proprietatea de fidelitate);- utilizatorul s poat controla o valoare Vd asemnalului de comand independent de valorile altorsemnale biologice (proprietatea de independen -();- utilizatorul s poat reproduce cu o frecven dat

o valoare Ve a semnalului de un numr dat de ori(proprietatea de repetabilitate);- utilizatorul s poat modifica rapid valoareasemnalului (proprietatea de dinamic( a semnalului).

Fig. 2Conform celor prezentate în figura 2, utilizatorul

declaneaz un semnal nervos s1 ce ia natere însistemul nervos, excitând prin fibre nervoase motorii

un esut muscular. Contracia se poate manifesta ca oîntrire a muchiului (contracie izometric(), sau cao scurtare a acestuia (contracie izotonic(), ceea ceva determina o deplasare a unor segmente osoasedatorit mobilitii articulare. Astfel, semnalul decomand sC poate fi captat la nivelul terminaiilornervoase (sC1 – pentru comanda neuroelectric) saula nivelul sistemului musculo-osteo-articular (sC2 – pentru comanda mioelectric, cu joystick sauîntreruptoare) prin intermediul potenialului deaciune al muchilor, prin mrirea volumuluimuchilor, prin deplasarea unor segmente aleorganismului. Modul în care echipamentul îiîndeplinete funcia este urmrit prin intermediulmai multor semnale de feedback: s2, semnal de

feedback interoceptiv; sfb1, prin care sunt transmiseutilizatorului informaii din mediu, reprezentativfiind feedback-ul vizual; sfb2, prin care sunttransmise utilizatorului informaii despre evoluiaechipamentului.

Preocuprile colectivului de autori s-au înscris îndomeniul reabilitrii funciei de prindere, dar auvizat i echipamentele de asistare a mersului, demobilizare pasiv a membrelor i dispozitivele pentru exerciii de reabilitare [5], [7], [8], [9], [10].

4. Proteze pentru membrul superior

Proiectarea în domeniul protezelor vizeaz treiaspecte majore: funcia, structura i estetica.Cercetrile întreprinse în acest domeniu decolectivul din care fac parte autorii, au urmrit

îmbuntirea performanelor funcionale ale protezelor prin optimizarea structurii mecanice iutilizarea unor noi elemente de execuie (actuatori).Astfel, în [7] sunt prezentate criteriile de sintez

structural a mecanismelor din structura protezelorde mân, care asigur adaptabilitatea la forma idimensiunile obiectelor prinse. Mecanismele cuelemente flexibile (cablu, tendon, curea) permitsoluii constructiv-funcionale apropiate deacionarea natural a falangelor, permitminiaturizarea, reducerea greutii i transmiterea puterii necesare cu un randament mrit.

În figura 3 este prezentat structura unuimecanism al unei proteze de mân, [9]. Degetul 1este plasat constructiv în opoziie faa de celelaltedou degete, ocupând o poziie simetric fa deacestea. El are dou falange articulate iar celelaltedou au câte trei falange articulate. În figura 4 este prezentat mecanismul prin care este coordonatmicarea policelui cu a celorlalte dou. În figura 5este prezentat mecanismul cu elemente flexibile pentru coordonarea celor trei falange ale degetelor

Fig. 3 Fig. 4

Fig. 5

2 3

1

5'

11', 12'

a

b

2(3)

1



În ceea ce privete acionarea protezelor de mân,cercetrile au fost orientate în direcia valorificriiexcelentelor proprieti funcionale ale actuatorilor pe baz de aliaje cu memoria formei (AAMF ):simplitate constructiv, construcie compact,greutate redus, sileniozitate etc, [11]. S-au propusvariante de acionare a falangelor i degetelor cuelemente active de tip fir i arc. S-au proiectat irealizat actuatori în construcie compact, cumultiple elemente active i cu curs mrita, [10].

\

În figura 6 este prezentat prototipul unei protezede mân, ce are în structur dou degete active plasate constructiv în opoziie, unul cu trei falangearticulate i cellalt cu o singur falang, acionate în

micare activ de flexie de elemente active de tip arcelicoidal, respectiv de tip fir, confecionate din aliajecu memoria formei.

5. Orteze pentru membrul superior

Funciile diminuate al mâinii sunt asistate cuajutorul ortezelor. În [7] a fost prezentat o familiede orteze de mân pasive din care este prezentat unexemplu în figura 7. Ortez asigur extensiadegetelor 2÷5 la nivelul articulaiilor interfalangiene proximale, las libere flexia-extensia la nivelul

articulaiilor interfalangiene distale, se opune flexieidin articulaiile metacarpofalangiene iinterfalangiene proximale i împiedic extensia lanivelul articulaiilor metacarpo-falangiene.

Fig. 7 Fig. 8

Orteza prezentat în figura 8 se încadreaz îngrupa ortezelor active, cu surs de energie propriedeficientului. Micarea restant de flexie-extensie amâinii, este convertit în prehensiune activ între police, degetele index, mijlociu i palm. În [5] estedat metoda de sintez dimensional a mecanismelordin structura acestui tip de ortez. Soluiaconstructiv a ortezei din figura 8 se poate uoradapta astfel încât s fie acionat cu AAMF. În [10]sunt evideniate soluii de amplasare a acestoractuatori pentru a antrena în flexie – extensie unuldin braele pensei de prindere.

În figura 9 este ilustrat principiul de antrenare adegetelor index i mijlociu cu dou arcuri din aliajcu memorie, în configuraie antagonist. Utilizareaacestor actuatori contribuie la reducerea gabarituluii greuttii ortezei, precum i la îmbuntireacosmeticii.

6.

Echipament pentru men1inerea posturiibipede i asistarea mersului

Pentru afeciuni la nivelul membrelor inferioarea fost proiectat i realizat un echipament care asigur stabilitatea posturii bipede i permite exersareamersului. Are o structur modular care îi confer flexibilitate în ceea ce priveste varietatea sesiunilorde recuperare. Modulul cadru de sus - inere este datîn figura 10.

Fig. 10

Fig.6

Fig. 9



Greutatea organismului este preluat de un sistem dehamuri, utilizatorul având membrele superioarelibere. Cadru este prevzut cu roi pentru a permitedeplasarea utilizatorului dar poate fi utilizat istaionar (împreun cu o band transportoare).

7.

Echipamente pentru persoanele în vârst$

În prezent are loc o cretere semnificativ asperanei de via. În rile dezvoltate se apreciaz c

în anii 2025, populaia cu vârsta peste 75 de ani vareprezenta o ptrime din totalul populaiei, [6], [12].La aceast vârst apar modificri antropometrice, biomecanice, senzoriale, psiho–intelectuale iadeseori sunt necesare dispozitive i echipamente pentru a asista funciile par ial diminuate.

Pentru asistarea funciei de prindere în cazul

persoanelor în vârst se utilizeaz dispozitive de prindere de tip reacher . Condiiile funcionale pecare trebuie s le îndeplineasc acestea sunt:- s fie funcionabile, adic s permit prinderea imeninerea unor obiecte, în condiiile unor for e deacionare reduse, f r a introduce restriciisuplimentare;- s aib greutate redus (sub 300 g.) pentru a puteafi utilizate de persoanele cu capaciti funcionalemotrice diminuate;- s fie estetice, ieftine, uor de întreinut i reparat.

Detalierea acestor criterii conduce la urmtoarele

condiii tehnice: lungime a dispozitivului cuprins înintervalul 400 – 900 mm, form ergonomic amânerului; mecanisme cu elemente flexibile (fire,cabluri, curele) pentru transmiterea micrii lamodulul terminal de prindere; echiparea modululuide prindere cu bacuri din cauciuc (pentru a cretesigurana prinderii), cu magneti permaneni (pentrumanipularea obiectelor metalice mici); asigurarea posibilitii de blocare a modului de prindere, într-oanumit configuraie de prindere; posibilitateaatarii unui suport la nivelul antebraului pentru a prelua greutatea total a dispozitivului i obiectului

manipulat; posibilitatea de a roti modulul de prindere în jurul axei longitudinale pentru a realiza prinderi în plane diferite; în cazul dispozitivelor culungimi mari, realizarea în variant rabatabil sautelescopic; realizarea modulului terminal de prindere astfel încât s permit adaptarea la forma idimensiunea obiectelor prinse; pentru utilizatorii culeziuni grave, echiparea cu surs exterioar deenergie pentru prinderea efectiv a obiectelor.

Prima variant proiectat i realizat este prezentat în figura 11. Are lungimea de 650 mm icântrete 250 g. Braul central este confecionat dinaluminiu. Are un singur deget mobil amplasat înopoziie fa de cel fix, în plan vertical; închiderea pensei de prindere este comandat activ, deschiderea

fiind asigurat de un arc. Dimensiunea maxim aobiectelor prinse este de 80 mm. Degetele ausuprafeele distale profilate pentru o prindere maisigur .

În figura 12 este prezentat modelareageometric a celei de-a doua variant cu energie proprie utilizatorului, care are urmtoarelecaracteristici: lungime – 850 mm, greutate – 300 g,greutate maxim a obiectelor manipulate - 1,250 kg.

Modulul de prindere este dispus în plan orizontal aredoua degete active, amplasate în opoziie, cu micarecoordonat. Este prevzut cu un suport pentruantebra.

Fig.12Pentru utilizatorii cu capaciti funcionale

profund diminuate este propus dispozitivul dinfigura 13. Acesta utilizeaz o surs extern deenergie (acumulator) care alimenteaz dou motoarede curent continuu miniaturizate.

Fig. 13

Prin intermediul unor reductoare i transmisii prin cablu, micarea este transmis la dispozitivul de prindere (m1) i la un modul de rotire a acestuia(m2), ce permite reglarea planului în care are loc prinderea. Motoarele sunt comandate prinintermediul unor întreruptoare. Deschiderea

maxim a pensei de prindere este 85 mm iarlungimea 810 mm. Greutatea maxim a obiectelor prinse este 1 kg.

Fig. 11



8. Conceptul DESIGN FOR ALL

Actualul concept de proiectare i realizare a produselor, astfel încât acestea s poat fi folosite dectre orice utilizator, numit în Europa “DESIGNFOR ALL” i în S.U.A., “UNIVERSALDESIGN“, asigur luarea în considerare a întreguluispectru de utilizatori, care s includ i persoanelecu disfuncionaliti sau cu handicap. Astfel, la(re)proiectarea unui produs se consider urmtoarele:

• probleme de auz: Este necesar auzul pentruutilizarea acestui produs? Poate fi mrit nivelulsonor al semnalului de ieire? Se pot utiliza ctile?

• probleme de vz: Este esenial vederea înutilizarea acestui produs? Este necesar o vederenormal? O persoan cu disfuncionaliti de vedere,

poate s vad instruciunile i s aleag opiunilecorespunztoare?• probleme de mobilitate: Produsul poate fi

utilizat de persoanele cu for e musculare i rezistenareduse, de ctre persoanele imobilizate într-un scauncu rotile sau de ctre cele care folosesc echipamentede asistare a mersului?

• probleme tactile i limitri ale micrilor definee: Este posibil utilizarea produsului de ctre persoanele care poart mnui groase sau carefolosesc doar o parte a mâinii?

• probleme de comunicare: Este necesar ca

utilizatorul acestui produs s aib o voce puternic?• probleme psiho-intelectuale: Poate fi utilizat produsul de o persoan confuz? Exist setriimplicite care s fac produsul mai uor de utilizatchiar dac sunt i alte opiuni mai complexe?

• probleme de disfuncionaliti i handicapurimixte: Soluia propus pentru o persoan cu osingur limitare poate fi aplicat i pentru persoanelecu limitri multiple?

• problemele de interfaare cu alte produsedestinate persoanelor cu handicap: Echipamentul permite utilizarea f r restricii a acestora?

Concluzii

Prin obiectul su de activitate, ingineria

reabilit rii urm rete s favorizeze participarea laviaa economic i social a persoanelor cuhandicap, în condiiile unui maxim de independen, pentru o afirmare deplin a personalitii lor i pentru creterea calitii vieii.

Luarea în considerare a aspectelor ergonomice îndiferite etape ale proiectrii echipamentelor dereabilitare, asigur a utilizare eficient i sigur aacestora. Astfel, se ine seama de faptul c

utilizatorii, echipamentele lor i mediul sunt într-o permanent interaciune.

Bibliografie

1. Bronzino, J.D. (editor). Biomedical Engineering Handbook . CRC & IEEE Press, Hartford, 1995.

2. Buhler, C. Robotics for rehabiliation – an European perspective. Robotica, vol. 16, 1998, p. 487.

3. Davalli, A., Sacchetti, R. Assistive Technologyin Rehabilitation. Proceedings of the Int. Conf.on Machine Automation ICMA 2000, Osaka,2000, p. 609–614.

4. Guittet, J. La robotique medicale. Ed. Hermes,Paris, 1988.

5. Handra-Luca, V. .a. Ortez ( pentru asistarea

prehensiunii. Proc. of the Seventh IFToMM Int.Symp. SYROM '97, Bucureti, 1997, vol. 2, p. 165-170.

6. Kromer, K. Ergonomics – How to design foreasy and efficiency. Prentice Hall, Englewood,1999.

7. Mândru, D., Ingineria protez (rii ,i reabilit (rii,Editura Casa Cr ii de Vtiin Cluj-Napoca,2001.

8. Mândru, D. .a. Studii privind comandac(rucioarelor pentru persoanele cu handicap.IX. Orszagos Gepesz Talalkozo -OGET 2001,Cluj-Napoca, p.167-171.

9. Mândru, D., Ttar, O. Tendon-Driven Mechanisms for Hand Prostheses. Proc.of the

VIII Int. Conf. on the Theory of Machines andMechanisms, 2000, Liberec, p. 419 – 424.10. Mândru, D., .a. Research Concerning the

Rehabilitation of the Prehension Function. Proc.of the Int. Conf. TABEMED 2000, ActaElectrotehnica Napocensis, vol. 41, nr.1, 2000, p. 46- 51.

11. Mtie, V., .a. Actuatori în mecatronic(.Editura MEDIAMIRA, Cluj-Napoca, 2000.

12. Popovic, D. Control of Movement for the Physically Disabled . Springer-Verlag, 2000.

13. Sawyer, D., Do it by design – An introduction to

human factors in medical devices, US Departm.of Health and Human Services, 1996.

14. http://rehabengineer.homestead.com/ergonomics.htmlhttp://www.alimed.com/main_index.cfmhttp://www.rehaboutlet.com/1001.htmhttp://www.osha.gov/SLTC/ergonomics/http://www.diversergo.com/data.htmlhttp://www.sghhealth4u.com.sg/health4u/rehab/occupational/whatisergonomics.htmhttp://www.aota.org/featured/area6/links/link02l.asphttp://umrerc.engin.umich.edu/jobdatabase/default.asp

aspecte ergonomice la proiectarea echipamentelor specifice ingineriei reabilitarii

Documents