ESTENSIONI VIRTUALI DI TELEPRESENZA E
ROBOTICA PER LA RIABILITAZIONE
Alberto Rovetta (Dipartimento di Meccanica, Politecnico di Milano)
RIASSUNTO:
Questo lavoro tratta delle possibilita' offerte dalle
tecnologie che afferiscono alla realta' virtuale nei campi della
riabilitazione. Le attese sono ampie, e lo sviluppo scientifico,
correttamente guidato, puo' permettere di ottenere risultati applicativi
nel settore della riabilitazione neuromotoria.
Possiamo usare queste tecnologie per l'allenamento sportivo, per
l'esercizio di mantenimento della salute, per la riabilitazione della
persona lesa e della persona sana ma che invecchia. Cioe' per il
mantenimento della qualita' della vita, che deve essere antecedente alla
cura, per prevenire anziche' rimediare.
E' descritto un sistema realizzato per la riabilitazione del controllo
della mano.
ABSTRACT:
This paper deals with the technologies of virtual
reality in the application for rehabilitation, both for disabled and
elderly persons. The scientific development may be applied to the
neuromotory rehabilitation, because of the involvement of the person's
conscience and neurological presence when the virtual environment
requires recative actions.
The goal of the virtual reality application is the prevention of the
disableness, instead of the health care when accidents or age have
reduced neurological capabilities.
An equipment for the rehabilitation of the hand control is presented.
Estensioni virtuali.
La realta' virtuale e' intesa come capacita'/abilita' di immergere gli utenti
in mondi interattivi tridimensionali.
I mass media oggi restano affascinati dalla parola 'virtuale'. La parola,
anche se in ambito diverso, e' antica: era gia' usata per definire espressioni
energetiche come i 'lavori virtuali', cioe' lavori che sono fatti per movimenti
solo pensati, ipotetici, e non necessariamente reali.
Seppure con accezione differente, la virtualita' intesa come estensione
operativa nasce con questo principio di base. Gli esempi virtuali di soluzioni
architettoniche di stazioni, di citta', di musei, di giardini, le passeggiate
simulate in viali virtuali, il decollo e l'atterraggio in aereoporti virtuali , le azioni
sportive in campi da tennis inesistenti o lo sci su piste innevate virtualmente,
presentano molto spesso il carattere dell'azione, con il movimento della
persona, che puo' essere 'immersa' nell'oggetto inventato virtualmente. Lo
sforzo creativo spesso consiste soprattutto nel fingere bene la realta',
copiando piu' che creando, anche se in una sintesi ove la fantasia agisce in
forme immaginative.
Muoversi nell'ambiente significa esservi presenti, spostare il proprio corpo,
cioe' le proprie estensioni articolari, gambe, braccia, mani, e spostare il viso, i
propri occhi. La realta' virtuale significa presenza simulata della persona in un
ambiente ipotetico, oppure dualmente la presenza di una persona ipotetica in
un ambiente reale o opportunamente simulato.
La coscienza della pervasivita' dei messaggi propri della comunicazione in
generale e della realta' virtuale in particolare rendono espansivo il mondo di
applicazione del calcolatore usato nella realta' virtuale.
Telepresenza e robotica.
Dopo che si e' modellato e simulato un ambiente remoto, attraverso le
pareti o il suolo o il soffitto o il cielo, e con gli oggetti e le cose e la natura che
lo rendono riconoscibile e accettabile, l'operatore puo' indossare sistemi
virtuali che rappresentano queste immagini su piccoli monitor televisivi,
appoggiati sugli occhi. Muovendo la testa, o semplicemnete girando gli occhi,
sistemi di misura, applicati gia' da anni in campi piu' lontani (giroscopia in
aereonautica, analisi dell' occhio in oftalmoscopia) permettono di variare
l'immagine sullo schermo, proprio come avverrebbe se l'ambiente simulato
fosse vero. I sensori sono misuratori di induttanza magnetica o di variazione
di campo elettrico o rilevatori di deflessione di raggi laser, ben noti nella
tecnica.
Se si indossa un guanto che rileva la posizione delle dita, i segnali che
misurano la posizione delle falangi, elaborati dal calcolatore, modificano
l'assetto dell'immagine della mano virtuale e insieme della posizione relativa
con gli oggetti virtuali.
La robotica utilizza per i comandi a distanza queste metodologie, poiche',
ove l'operatore non possa agire direttamente sulla macchina, esegue
operazioni di telerobotica, cioe' di comando a distanza di robot. I problemi
complessi sono legati soprattutto al ritardo temporale tra il momento dell'invio
del segnale, e l'istante nel quale esso viene eseguito; a seconda della distanza,
il ritardo puo' variare tra pochi decimi di secondo e alcuni secondi.
La telepresenza e' una condizione intermedia di partecipazione. Si
realizzano le immagini reali o virtuali dell'ambiente, poiche' una reale
telecamera puo' inviare immagini sull'ambiente reale oppure si puo' inventare
un ambiente simulato.
Queste due condizioni sono in pratica equivalenti per l'operatore remoto
sotto il profilo dell'interazione fisica. I sistemi sensoriali rendono partecipe
l'utente dell'ambiente 'virtuale' nella sua realta', ed egli si sente come se si
trovasse in quell'ambiente o remoto o ipotetico o solamente molto distante
dalla sua realta' fisica. Questa condizione di 'telepresenza' condiziona
fortemente l'attivita' sensoriale, cerebrale e neuromotoria della persona che
opera.
La telerobotica si e' impadronita di queste discipline, soprattutto per il
comando a distanza di macchine e sistemi spaziali.
La tecnologia del controllo a distanza utilizza queste tecnologie con molta
attenzione, poiche' esse integrano le caratteristiche dell'informatica (software,
calcolatori, trasmissioni multimediali di dati e immagini) con le
telecomunicazioni e con la ingegneria dei sistemi. Protagonista principale
resta il senso di se' dell'essere umano, la sua percezione di essere e in primo
piano la sua coscienza, che resta alterata nel processo di partecipazione alla
realta' virtuale.
Riabilitazione.
Le metodologie usate nella riabilitazione sono molto vaste e ricoprono
praticamente tutte le discipline note nell'informatica, nella bioingegneria e
nella medicina. Intesa come pragmatica azione di recupero, finora anche la
riabilitazione motoria si e' rivolta all'informatica piu' come supporto
audiovisivo che come reale sistema di valutazione quantitativa della
riabilitazione a livello cerebrale. I casi applicativi sono scarsi in relazione
all'importanza sanitaria e sociale che la riabilitazione dei disabili e delle
persone anziane riveste oggi.
Il sistema virtuale puo' aiutare la riabilitazione neuromotoria.
La realta' aumentata, cioe' la realta' che associa a immagini reali altre
immagini 'inventate' da computer, gia' costituisce un metodo di valutazione
per la misura dei gradi di attenzione della persona lesa.
Il videogame, oppure il modello grafico con risposte a segnali ottici o
acustici o comunque che richiedono una risposta immediata, sono strumenti
che impongono una partecipazione cosciente e impongono una reazione di
risposta.
La presenza tuttavia di una realta' nella quale si sia immersi e nella quale
si debba partecipare integralmente, coinvolge in misura piu' completa la
persona.
Il lavoro di riabilitazione globale, che coinvolga l'attivita' motoria gestuale
di ripetizione di azioni meccaniche per l'esercizio della muscolatura e delle
funzioni principali della sensorialita' puo' sfruttare le 'invenzioni' della realta'
virtuale.
Possiamo usare queste tecnologie per l'allenamento sportivo, per
l'esercizio di mantenimento della salute, per la riabilitazione della persona lesa
e della persona sana ma che invecchia. Cioe' per il mantenimento della
qualita' della vita, che deve essere antecedente alla cura, per prevenire
anziche' rimediare.
Ricerca applicata alla riabilitazione.
Nel Laboratorio di Telerobotica, Dipartimento di Meccanica del
Politecnico di Milano, si e' realizzato un sistema di esercizi per la riabilitazione
dell'attivita' neuromotoria della mano umana. Si e' realizzato un sistema ibrido,
cioe' intermedio tra reale e virtuale, costituito da un guanto virtuale attivo, da
una mano robotica e da rilevatori elettromiografici. Il sistema uomo -
macchina realizzato e' a ciclo chiuso.
L'azione virtuale per l'operatore e' definita da una immagine visualizzata
del dito umano, a colori, durante il movimento dell'operatore, che indossa il
guanto attivo. L'operatore puo' scegliere tra diverse azioni: 1) puo' guardare
direttamente il suo dito e il dito meccanico in azione; 2) puo' guardare solo il
dito virtuale disegnato a colori con il computer, il quale segue fedelemente il
moto del suo dito reale; 3) puo' non guardare ne' il dito meccanico ne' il suo
dito, ma solo una serie di luci colorate che si accendono consecutivamente
mentre egli sta piegando il dito.
Alla fine del movimento previsto, il dito tocca un oggetto delicato, che non
deve essere rotto dal contatto. Il tempo di ritorno rapido dopo il contatto
rappresenta il tempo di risposta al contatto, e viene misurato attraverso il
segnale elettromiografico ottenuto dal muscolo estensore del dito che tocca
l'oggetto. Quando la persona osserva la immagine virtuale del dito e la segue
nel suo movimento, accetta le informazioni da essa trasmesse, elaborandole
cerebralmente.
Questa realta' mista, commistione di reale e virtuale, e' stata chiamata, nel
Laboratorio di Robotica, 'realta' ibrida'.
Con il sistema funzionante e' possibile:
- eseguire l' analisi dei dati EMG dal sistema muscolare che attiva le dita della
mano,
- muovere la mano umana e in congruenza la mano meccanica,
- toccare un oggetto con la mano umana e un oggetto simile con la mano
meccanica,
- sviluppare il contatto dell'oggetto sia in forma reale (con la mano umana) sia
in forma ibrida cioe' reale-virtuale con la mano robotica,
- controllare il contatto sull'oggetto in forme diverse.
Il contatto avviene contemporaneamente con la trasmissione su monitor
dei segnali sensoriali di forza sulle dita meccaniche e di posizione delle dita
meccaniche stesse, con informazioni all'operatore per la gestione del
processo di contatto. In tale modo si possono misurare durante il movimento i
tempi relativi all'analisi di feedback e feedforward.
Attraverso la coscienza di una possibilita' operativa, offerta tramite
metodologie che impiegano sistemi interattivi anche con uso di realta' virtuale,
la persona in riabilitazione o disabile puo' stimolare e fare crescere capacita'
sopite o latenti, o addirittura essere stimolata ad attivare nuove capacita'
operative sia a livello muscolare e motorio sia a livelli neurobiologici.
Conclusioni.
Le metodologie proprie della realta' virtuale stanno pervadendo, e
probabilmente verranno presto superate, le tecnologie adatte all'
apprendimento e al training operativo. Anche la riabilitazione puo' utilizzare
queste metodologie, con una opportuna integrazione medica delle capacita'
diagnostiche e terapeutiche dell'interazione uomo-macchina. La applicazione
richiede una intensa attivita' cerebrale di attenzione agli stimoli e va eseguita
sotto un attento controllo medico.
Ringraziamenti.
La ricerca e' stata supportata dal CNR e dal Murst. Si ringraziano inoltre
gli Ingg. Lorenzo Molinari Tosatti, Francesca Cosmi, Arianna Togno per la
collaborazione e il Tecnico Sig.Sergio Bruno, per la messa a punto del
sistema meccanico.
BIBLIOGRAFIA.
1) Thomas Sheridan, 'Telerobotics, Automation, and Human
Supervisory Control', MIT Press, 1992
3) Eccles J. C., 'Evolution of the Brain: Creation of the Self',
Routledge, 1989
4) Mokshagundam, A., 'Sensor Application to Peripheral
Neuropathy of the Hand', in Tactile Sensors for Robotics and Medicine,
Wiley, 1988
5) Shumway-Cook A., Bahling Horak F., 'Assessing the Influence of
Sensory Interaction on Balance' Physical Therapy, Vol.66, n.10,1986
6) Ellis S. R., 'Prologue', in Pictorial Communication in Virtual and Real
Environments, Taylor and Francis, London,1991
7) Lin A., Tharp G., Stark L., 'Effect of Stere and Occlusion on
Simulated Telemanipulation', Proceedings 1992 SID, Boston 1992
8) Atti del Convegno 'Il Controllo motorio della mano e della
parola: teoria e appplicazioni' Veruno, 1993 (a cura di P.Pinelli e
G.Minuco)
Figure
Fig.1 Postazione realizzata con il guanto sensorizzato, il rilevatore
elettromiografico, il dito meccanico, il calcolatore per l'elaborazione dei
segnali.
Fig.2 Rappresentazione dei segnali acquisiti durante le prove: segnale
elettromiografico relativo al muscolo estensore del dito, posizione del dito
umano, posizione del dito meccanico, forza esercitata dal dito meccanico
sull'oggetto toccato.
Fig.3 Sistema completo di operatore con casco per l'elaborazione visiva e
con guanto (Laboratorio di telerobotica, Universita' di Tokyo)
Fig.4 Schema di processo per l'attivita' di riabilitazione con guanto e con
segnale elettromiografico.
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