CPBR2012 - Reabilitação de Pacientes através da Robótica e de Games

Grupo de Mecatrônica

Universidade de São Paulo
Escola de Engenharia de São Carlos

Laboratório de Reabilitação Robótica

Reabilitação de Pacientes através
da Robótica e de Games
Kléber de Oliveira Andrade
pdjkleber@gmail.com
@pdjkleber
Orientador
Glauco Augusto de Paula Caurin

Campus Party Brasil
Fevereiro de 2012

Agenda

Introdução (Definições)
Reabilitação Robótica
Jogos e Robôs
Projeto STAR (EESC/USP)


2/69


Robô?
• Origem da palavra Robô
– O termo robot (robô) foi utilizado pela primeira vez pelo escritor
Karel Capek, em 1920, quando escreveu uma história com o
nome “Rossum’s Universal Robots”. Em tcheco a palavra robota
tem o significado de “trabalho escravo”.

• Dicionário
– 1. Aparelho mecânico que imita os movimentos humanos.
– 2. Fig. Pessoa sem vontade própria, geralmente sobre o
comando de outrem.

• Wikipedia
– Um robô (ou robot) é um dispositivo, ou grupo de dispositivos,
eletromecânicos ou biomecânicos capazes de realizar trabalhos
de maneira autônoma, pré-programada, ou através de controle
humano.

3/69


Mito sobre os robôs
“Robôs irão roubar o seu emprego!”

• Agumento contrário: o corpo humano não foi
feito para suportar atividades repetitivas, ou que
requerem concentração continuada por várias
horas. O melhor lugar do homem é na tomada
de decisões e supervisão.

4/69


Robótica (Ficção)


5


Robótica (Realidade)

Honda (2011)

Sahin e Guvenc (2007)

Sony (2011)

iRobot (2011)

Krebs et al. (2008)

NÃO (2011)


6


Linha do tempo da Robótica
• Fases da pesquisa em robótica
– Até os anos 80 (Promessas): em vinte anos, robôs
móveis poderão realizar qualquer tipo de tarefa de forma
segura, comunicar com os humanos e “protegê-los”.
– Anos 90 (Muito trabalho e desilusão): Grandes
desenvolvimento na área da robótica móvel, com
resultados experimentais tanto motivadores como
frustrantes. Expansão das modalidades de robôs.
– 2000 à atual (Amadurecimento): Mudança de foco, com
reforço
das
seguintes
qualidades;
assistência,
colaboração, tele-operação e entretenimento (Robôs de
serviços).

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O que são Robôs de Serviços?
• Robôs de Serviços
– Robôs de serviço são equipamentos que operam de forma
semi ou totalmente autônoma realizando serviços úteis ao
bem-estar dos seres humanos.

• Areas de aplicação (exemplos)
–
–
–
–
–

Robôs de domético (limpeza de casa, jardim, piscina, etc.)
Robôs de inspeção de cabos, dutos, etc.
Robôs médicos (assistentes de cirurgias, etc.)
Robôs assistivos (para auxiliar pessoas)
Robôs para entretenimento

• E a reabilitação?

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Reabilitação Robótica?
• Reabilitação
– É a área médica que tem por objetivo principal
restaurar as funções dos pacientes, o máximo
possível (Dikke Van Dalle).

• Reabilitação Robótica
– São robôs de serviços que operam de forma semi ou
totalmente autônoma prestando serviços úteis ao
bem-estar dos seres humanos com deficiências (R.q.
Van der Linde, 2003).

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Por que Reabilitação Robótica?
• Nós temos uma necessidade
crescente de tratamento
– Pessoas mais idosas
– Cada vez mais doentes

• Reabilitação Robótica pode ser
eficaz
–
–
–
–

Motivador
Preciso
Objetivo
Adaptativo

• Reabilitação Robótica também
permite atendimento domiciliar

10/69


Questões Tecnicas
• Interação entre humanos e robôs
Humano

•
•
•
•

Robô

Que tipo de controle é necessário?
Como interagir com o robô?
Confiança
Segurança

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Tipos de controle de movimentos
Controle de
posição

Controle de
posição/força
Periódico

• Controle de posição
• Controle de força

• Impedância
• Admitância
• Intrinseco

• Forçado
• Balistico


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B
A

B

A

A=B

Gentle
• Objetivo
– O objetivo do GENTLE estabelece práticas de
reabilitação para AVC, alterando a terapia para
acomodar o paciente.

• Controle de Adimitancia

4 DOF

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MIT MANUS
• Objetivo
– O objetivo do projeto é desenvolver, implementar e
testar um sistema robótico para fisioterapia e
reabilitação neurológica

• Controle
– Controle de impedância

• Produto comercial
3 DOF

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Rutgers Ankle
• Objetivo
– É para pacientes que necessitam de reablitação no tornozelo
joelho, tanto para diagnósticos ortopédicos e acidente vascular
cerebral.

6 DOF

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Lokomat
• Hocoma, Zurich
– Lesões na medula
espinhal

• Controle
– Controle de posição
(gerador de marcha)

• Produto Comercial

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Jogos para Saúde (Fisio - Exercícios)


Wii Fit


Jogos para Saúde (Fisio - Reabilitação)

Wii sendo usado para reabilitação


Definições
• Computer Games
– Interactive, goal-oriented activity, with active agents to play against,
in which players (including active agents) can interfere with each
other

• Serious Games - entertainment is not the primary goal of
gaming
• Serious Games for our purposes – the rehabilitation is the
primary goal rather than entertainment;
– Content
• Rehabilitation (Health), Education, Advergames,
– Theory
• Physics, Art, Psychology, HCI, Cognition, Perception, Pedagogy
– Game Design
• Simulation, Programming, AI, 3D, Level Design



Dividing the problem in Tasks
•
•

Task
Repositor
y

Task Pool

Experienc
e Engine

Games + Pedagogy
Games + Rehabilitation Protocols and Performance Measures

•

Content Creation (Researcher, Physic Therapist, Occupational
Therapist, Physician)
Task Repository
Authoring

•

•

Game Author (Selection, Requirements, Pool)

•

Runtime execution (Experience Engine [Bellotti 2009] , Task
Sequence, Game Engine)
Execution

GAME


Suggested Game Composition

Game

Objective
I

Objective Layer
Mission
A

Mission Layer (Levels)
Task Layer

Task 1

Objective
II

Mission
B

Task 2

Task 3

Mission
C

Task 4

Task 5

Task 6

Task 7

Game Play



Projeto STAR
Sistemas de Telereabilitação Assistida por Robôs



Projeto STAR



Projeto STAR – Questionário


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Projeto STAR – Adaptando uma partida de PONG



Projeto STAR – Adaptando uma partida de PONG

Ball Speed (Pixel/s)

Experimental Results - 5 Subjects
550
530
510
490
470
450
430
410
390
370
350

Sub#4
Sub#5
Sub#3

Sub#2
Sub#1
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Game Session Sequence Number



Projeto STAR – Medindo o desempenho com 2 jogadores

MC 1
Receiver
Game

Dispatcher

Client

Server
Dispatcher

Receiver

Motor
Controllers
Monitor


MC 2

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Projeto STAR – Medindo o desempenho com 2 jogadores


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Integrando Robôs e Games
• Requisitos do Game
– Jogos específicos para cada geração
– Crianças e adolescentes (Maior qualidade gráfico e realismos
físico)

• Requisitos do robô
– Interatividade amigável para o usuário  Robô assistivo
– Interação Homem-Máquina segura – estabilidade na presença de
contato com o ambiente (terapeuta-paciente)
– Tempo de confiabilidade, Real
– Integração de tecnologias
•
•
•
•
•
•

Wii Mote, Wii Balance Board
Kinect e Webcams
Cell Processor and GPUs
Motion Tracking (Rastreado de movimentos)
Speech + Touch + Motion Tracking + Biosensors
Keyboard, Joystick



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