توسعه سیبرنتیک دست مصنوعی

مطلبی در خصوص توسعه سیبرنتیک دست مصنوعی
چکیده
در یک مفهوم وسیع، این تحقیق در خصوص انسان ها به عنوان تلاش های برای شبیه سازی انسان در یکپارچگی او یا برخی از مولفه های اصلی اوست. بنابراین، توسعه یک اندام مصنوعی سیبرنتیک، شبیه سازی توانایی های حسی – حرکتی تا حد ممکن دست طبیعی به عنوان یک هدف مهم در این زمینه قابل ملاحظه است.
این مقاله تلاش می کند تحقیقاتی جاری را در جهت توسعه این سیبرنتیک از دست مصنوعی ارائه می دهد که بر برخی از زیانهای سیستم سیبرنتیک جاری فائق خواهد آمد. این اندام مصنوعی جدید از طریق یک مقطوع العضو به عنوان فقدان یک اندام طبیعی احساس می شود که باز خورد احساس طبیعی وی را بوسیله شبیه سازی عصب های خاصی توزیع می کند. علاوه بر اینها، از طریق یک شیوه بسیار طبیعی از راه پردازش سیگنال و ابران که از دستگاه مرکزی اعصاب می آیند کنترل می شوند. (لذا ناراحتی پروتزهای کنترل مبتنی بر EMG جاری را کاهش می دهد).
بویژه، در این مقاله سه موضوع اصلی مورد بحث قرار خواهد گرفت: طراحی بهینه سازی پروتزهای مکاترونیک پیشرفته موجود، حساس سازی دست مصنوعی، و کنترل آن.
1- مقدمه
در مفهوم کلی آن، تحقیق در خصوص شبه انسان به عنوان تلاشی در جهت شبیه سازی انسان از لحاظ یکپارچگی او و برخی مولفه های اصلی او می باشد. لذا توسعه یک اندام مصنوعی سیبرنتیک، شبیه سازی توانایی های جسی – حرکتی تا حد ممکن و نظیر دست طبیعی به عنوان موفقیت تحقیق روبات شبه انسانی است.
دست انسان نمونه معجره آسایی از چگونگی مکانیسم پیچیده ای است که اجرا می شود و قادر به درک امور پیچیده و مفید با استفاده از یک ترکیب موثر مکانیسم ها، احساس، عملکردهای فعال سازی و کنترل می باشد ]2 و 1[. دست انسان نه فقط یک ابزار موثر است بلکه همچنین یک ابزار ایده آل برای کسب اطلاعات از محیط خارج است. شبیه سازی و تقلید از توانایی های سیستم کاری انسان برای قرن ها رویای دانشمندان و مهندسین بوده است.
در حقیقت، توسط یک دست مصنوعی واقعاً شبیه انسان به احتمال یکی از شناخته ترین طرح های زیستی است.
علیرغم چند تلاش تحقیقاتی با هدف نوآوری و تکنولوژی دست های مصنوعی، پژوهش های رضایت کاربر در استفاده از دست های مصنوعی آشکار کرد که 30 تا 50% مقطوع العضوها بطور شدید از دست های مصنوعی خود به طور منظم استفاده نمی برند ]4 و 3[. عوالی اصلی را که سبب فقدان علاقه برای میوالکتریک است دست مصنوعی می شود در سه نکته تحلیلی می شود: عملکرد پایین، تزئین و جراحی کن، و قابلیت کنترل کم.
در این مقاله تلاش های تحقیقاتی به سمت درک سیبرنتیک پروتزهای دست ارائه خواهد شد. بخصوص، ساختار مکانیکی پروتزها، حساس سازی آن و طرح کنترل آن، همراه با اولین نتایج آزمایشگاهی در بخش های زیر توضیح داده خواهد شد.
2. دست شبیه انسانی سه انگشتی (anthropomorphic)
یک دست نیرومند سه انگشتی از طریق محققین در مرکز INAIL RTR در چهارچوب پروژه CYBERHAND توسعه می یابد ]6[. این دست زوایای سنسورهای مشترک توسعه یافته در اسکیولا سانت آنا ترکیب خواهد نمود. چهار حرکت بکار گرفته می شوند، یکی برای جنبش و حرکت انگشت شست به طرف بیرون و داخل، و دیگر برای باز و بسته کردن سه انگشت است. تاکید بر توسعه یک وسیله است که سبک وزن، قابل اعتماد، زیبا، دارای انرژی کافی و عملکرد بالا و در نهایت از نظر تجاری مورد اطمینان است.
توسعه این دست جدید بر اساس دست RTRII است (7) که در آن راه حل پیشنهاد شده از طریق شیگئو هیروس در ساخت گرایپر (8) برای دو انگشت و شصت اعمال شده است.
پروتزهای تجاری دست دو یا سه درجه آزادی (Dofs) است که باعث حرکات انگشت و وضعیت شست می شود. به خاطر نبودن Dofs، چنین وسایلی با عملکردی درک پایین توصیف می شوند. در واقع، آنها اجازه مرور شدن کافی اشیاء را نمی دهند، که در مقایسه با تطابق پذیری دست انسان قرار دارد. در نتیجه، اشیاء باید بطور صریح گرفته شوند تا بطور امن نگه داشته شوند (9).
مکانیسم های درست عمل نشده باعث توانایی های گرفتن خود تطبیق می شوند، و در برابر تعداد زیادی از Dofs کنترل شده با تعداد محدودی از تحریک کننده ها و مکانیسم های متمایزی قدردان هستند. این رویکرد اجازه تولید مجدد بیشتر عملکردهای درک انسان را بدون افزودن پیچیدگی مکانیکی و کنترلی را می دهند. این مشخصه بطرز خاصی در دست های مصنوعی مهم هستند، هنگامی که فقط چند سیگنال کنترلی از واسطه کنترل EMG موجود باشند، و لذا برای مقطوع العضو امکان دارد که در یک شیوه طبیعی بیش از دو محرک را کنترل کند.
دست RTR II داریا سه انگشت است، میانی، نشانه و شست، و نه DOFS در کل، اما فقط دو عدد حرکتی دارد: یکی برای حرکات کششی از تمام انگشتان شست (گیرنده قدرت) و یکی نیز برای حرکات نزدیکی و دور کردن شست (گیرندگی و درک). انگشتان نشانه و میانی همسان هستند (هر دو دارای سه فالانج هستند)، درحالیکه انگشت شست دارای دو فالانج است، همانند دست انسان. (شکل (a) 1).
این دست بر اساس یک سیستم انتقال تاندون است. کشش تاندون ها یک گشتاور نرم شو را در اطراف هر مفصل بوجود می آورد، که بوسیله پولی های کوچک است، و حرکت خمشی را میسر می سازد، این ساختار انتقالی به همان شیوه فلکسور دیجیتروم پروفاندس عملی می کند ]11[. حرکت گسترشی از طریق فنرهای پیچشی درک می شود. دور شدن و نزدیک شدن حرکات انگشت شست بوسیله یک مکانیبسم ارتباطی چهار میلی انجام می شود. شکل 1(b) نشان دهنده سیستم های تحرکی و انتقال است.
به منظور اجرای یک درک تطابقی بین انگشتان، یک سیستم درک تطابقی طراحی شده است. این سیستم مبتنی بر فنرهای فشرده است: هر دو سیم انگشتی به یک غلتک خطی متصل است که از طریق دو فنر تراکمی صورت می گیرد (شکل 2). در طی یک درک کلی، انگشتان نشانه و میانی ممکن است در تماس با یک شیء گرفته شده بطور همزمان باشد، یکی از انگشتان و شست در تماس با اولی قرار می گیرند. هنگامی که این حالت رخ می دهد، در پروتزهای قراردادی، انگشت دیگر قادر به رسیدن به شیء برای بهبود بخشیدن به توانایی درک نمی باشد. و این کار مدیون انتخاب فنرهای کشسی این مسئله است که قابل حل می باشد: هنگامی که اولین انگشت (مثل انگشت میانی) در تماس با شیء قرار می گیرد، فنر مربوطه شروع به تراکم می کند، و غلتک هم اکنون آزاد است تا حرکت آنرا و انگشت دوم ادامه دهد (مثل انگشت نشانه) که می تواند خم شود و به شیء برسد.
هنگامی که نیروهیا زیاد مورد نیاز باشند، فنرهای کششی به عنوان یک ارتباط محکم عمل می کنند و تمام نیرو از غلتک به انگشتان منتقل می شود، این مهمترین مزیت استفاده از فنرهای کششی بجای فنر تراکمی است.
3. سیستم حس گر مصنوعی
سیستم حسگر مصنوعی هسته سیستم کنترل دست است، و دارای یک نقش دوگانه است: اولاً فراهم کننده سیگنال های ورودی برای حلقه کنترلی سطح پایین فاز گرفتن است، و لذا کنترل موضعی و مستقل را بدون نیاز به توجه کاربر و واکنش لغزشی میسر می سازد. بعلاوه، یکسری سیگنال های حسگر را خلق می کند که کاربر منتقل می شود. هدف از طراحی حسگر عبارتست از خلق یک دست مصنوعی و تعداد کثیری از حسگرهای متفاوت به منظور دادن عملکرد های مشابه به دست به عنوان دست انسان.
سیستم حسگر دست برای ایجاد کنترل خودکار امور گرفتن اشیاء بدون نیاز به توجه ویژه و تلاش برای استفاده کننده دست است. علاوه بر این سیستم حسگر مورد مطالعه قرار می گیرد تا اولین دسته آزمایشات را برای پژوهش در سهولت فراهم سازی بازخوردهای شناختی در خصوص گرفتن اشیاء به مقطوع العضو ایجاد کند.
بنا به این دلایل، طبق یک رویکرد بیوشمی (5)، سیستم حسگر مصنوعی در تکرار سیستم حسگر طبیعی است که هر دوی توانایی های درک داخلی و درک خارجی فراهم می سازد.
بویژه، نوع جاری با قرار دادن حسگرهایی برای انگشت شست و برای غلتک فراهم می شود که این سه انگشت را حرکت دهد، یک تنش سنج روی کابل که قادر باشد انگشت نشانه را حرکت دهد، و یک حسگر نیرویی روی نوک انگشت شست. در زیربخش های زیر سیستم حسگر بطور دقیق توضیح داده خواهد شد.
3-1- حسگر وضعیت حس عمقی: حسگر وضعیت غلتک
یک سنجش کیفی از وضعیت های بند انگشتان از طریق شناسایی تعویض غلتک بدست می آید، جایی که یک حسگر هال (مدل SS49B، شرکت هانی ول، … در ایالات متحده) سوار می شود. این حسگر وضعیت غلتک را در امتداد ضربه آن شناسایی می کند که در طی حرکات خمشی / کششی انگشتان صورت می پذیرد، مثل حساسگرهای زاویه ای فیرمولوژی در کپسول های مفصلی ]12[.
مشکل اصلی مواجه شده در هنگام توسعه این حسگر عبارت از پوشاندن کل ضربه غلتک (در حدود mm20) که در مقایسه با میزان کار نرمال حساسگر هال زیر می باشد، به این دلیل ما تعدادی از ترکیب بندی های مغناطیسی را شبیه سازی و مقایسه می کنیم که از طریق نرم افزار (Ansys Multiphysics (ANSYS Inc, usa) انجام می شود. یک ترکیب بهینه خاص از لحاظ آزمایشی با استفاده از شرکت بین المللی 12 Honeywell مغناطیسی 103MG5 می باشد. تنش الکتریکی هال خلق شده در این ترکیب قادر به پوشاندن کل غلتک است و گرایش آن یکنواخت و کاملاً خطی است، که در شکل A-3 نشان داده شده است (The Mathworks, INC, Natuck, MA. Usa) که در ]7[. توضیح داده می شود وبرای مربوط ساختن غلتک با زوایای مفصل ها توسعه یافته است: از طریق این مدل امکان دارد که وضعیت مفصل ها در طی یک حرکت باز و بسته شدن میسر شود.
این تحلیل آزمایشی شبیه سازی و قطرسنجی نهایی را روی صفحه حالت خوب و تکرارپذیری را فراهم کرده است ( و از طریق کاهش ماشین کردن و مونتاژ کردن انجام می شود ]7[)
2-3 ایجاد حس وضعیت زاویه مفصل عمقی: حساسگر وضعیت انگشت شست یک کلاهک مدور شکل با دو مغناطیس بر پایه انگشت شست مونتاژ شده اند که در طول مرکز چرخش مکانیسم ارتباطی چهار میله است و توانایی های دور شدن / نزدیک شدن را به انگشت شست می دهد. یک حساسگر موثر هال (مدل SS496B، شرکت (Honeywell, freeport, II, usa، در جلو کلاهک واقع است و زاویه جابجایی انگشت شست را می سنجد، هنگامی که حرکات دور شدن / نزدیک شدن اجرا می شود، بنابراین شبیه حساسگرهای زاویه ای فیزیولوژی در این مفصل عمل می کند ]12[. این حسگر دارای میزان عملکردی 030 دست و حساسیت خوب، تکرارپذیری و عملکرد خطی خوبی را نشان داده است.
3-3 نیروی حساسگر تاندون عمقی
در دست RTR II، کابل های انتقالی در یک طرف بندهای فاصله ای میانی و نشانه، از سوی دیگر، آنها به غلتک خطی بوسیله دو فنر فشرده با مکانیسم های متمایز متصل هستند. این کابل ها بطور مستقیم روی دو عنصر سیار عمل می کنند که فنرها در طی گرفتن تطبیقی با یک شکل نامنظم فشرده می سازد. این نیروی حساسگر از طریق حساس سازی یک عنصر الاستیک که به عنوان یک توقف مکانیکی برای کابل ها عمل می کند کسب می شود. تنش تاندون مبتنی بر مقیاس هایی می باشد (مدل ESU-025-1000-Entrasn Inc، USA، NJ و Fairfield). این ساختار میکرومکانیکی برای کسب یک پایه قابلیت تغییر ساخته شده است. (نمودار 5)، که به منظور نظارت مستمر تنش کابل اعمال شده از طریق حرکت ها می باشد، همانند اندام تاندون گلگی در سری های یا یک عضله ]12[.
این قطرسنجی با یک ماشین تست INSTRINR4464 (Instron. Corporation, Can to, Massachusetts, USA) با یک سلول بار استاتیک که در میزان 1KN کار می کند. یک قسمت استوانه ای شکل، ثابت شده برروی سلول بار، برای بکارگیری بار مورد استفاده بوده است که در شکل 6 نشان داده شده است. سیگنال حساسگرهای کششی در ابتدا تشدید شده اند، سپس از طریق یک بورد بدست می آیند (ابزار بین المللی کارت 1200 DAQ)، و سرانجام از طریق یک واسطه Lab View TM برای رویت نمودن در خروجی بلادرنگ (دست ها) درمقابل بار بکار گرفته شده (N) است.
وسیله حساسگر حالت دینامیک، حساسیت و قابلیت تکرار خوب را نشان داده است، یک هیسترس و زمان تاخیر به خاطر مکانیسم متمایزی دست شناسایی شده است (یک فنر تحت مولفه کشیده شده وجود دارد ) (7).
4-3 نیروی حساسگری خارجی: حساسگر نیروی انگشت شست
یک حساسگر مکانیکی مصنوعی از طریق حساسگر فشار FSR بدست می آید (بخش 400#، الکترونیک ارتباط درونی، کاماریلو، کا، ایالات متحده)، که به قطر mm5 و ضخامت اسمی mm3/0 واقع در نوک انگشت شست: کل بند فاصله، با FSR در جهت کف دست در یک بخش به شکل انگشت شست که حاوی سیلیکان ذوب شده است غوطه ور شده است. هنگامی که پلیمریزاسیون سیلیکان تمام شود، یک نیروی حساس نوک انگشت بدست آمده است. حساسگر نیرو فقط روی نوک انگشت اعمال شده است که بطور قابل توجهی در تمام امور عملیاتی دخیل است ]13[.
قطرسنجی یاد شده دستگاه تست INSTRONR4464 اجرا شده است (Instron Corporation, canto, USA) که با بار استاتیک تحمل کرده در میزان 1KN می باشد. این دست با نیروی حساسگر رو به سمت بالا قفل می شود، و یک سیلندر (به قطر mm5)، ثابت شده روی سلول بار، برای بکار بردن این بار مورد استفاده بوده است.
آزمایشات اولیه یک هیسترس کم را نشان داده اند و همینطور تکرارپذیری بالا را (نمودار 8). این حساسگر اطلاعاتی را در خصوص فشار استاتیک روی یک بخش وسیع (بیش از mm5) بدست می دهد و خصوصیات دینامیکی خوبی را نشان داده است. درنتیجه، تیروی توسعه یافته حساسگر به مشخصه هایFA II و SA II حساسگر مکانیکی روانشناختی شبیه می شود.
4- کنترل پروتزها
این تحقیق بطور فعال دارای سه هدف اصلی است: (1) توسعه الگوریتم هایی برای استخراج اطلاعاتی در باره تمایلات کاربر از طریق پردازش سیگنال های عصبی طبیعی بوده است (این زیر سیستم از این به بعد مدوله تشخیص الگوی سطح بالا (HLPRM) نامیده می شود، (2) توسعه الگوریتم هایی برای کنترل حلقه بسته از پروتزهای مصنوعی طبق دستورات وارده از HLPRM و اطلاعات حسگری کسب شده از حساسگرهای شبه زیستی واقع در پروتزها بوده است (این مدوله از این پس کنترل کننده سطح پایین (LLC) نام می گیرد، (3) توسعه یک استراتژی برای شبیه سازی عصب های مرکزی به منظور فراهم سازی نوعی بازخورد حساسگر برای کاربر.
توسعه HLPRM یک الگوی تشخیص مسئله واقعی است. HLPRM باید قادر به شناسایی درست آنچه که در امور t کاربر را وادار به اجرا می کند و در میان امور مختلف ممکن است باشد، برای نائل آمدن به این نتیجه، HLPRM باید متشکل از زیرسیستم های ذیل باشد:
]1[ یک سیستم برای افزایش نسبت سیگنال به نوفه از سیگنال های عصبی مرکزی که با الکترودهای عصبی از نوع دوباره خلق شده باشد. ارزشی توجه دارد که در این حالت باید نوفه را در نظر بگیریم، نه تنها به عنوان تداخل ناشی از سر و صدای حرارتی یا الکتریکی، بلکه همچنین حضور سیگنال های عصبی دیگر که به کارگیری که ما تمایل به شناسایی آن داریم مرتبط نمی باشد. بنا به این دلیل استفاده از الگوریتم ویژه (از قبیل الکوریتم های دکانولاسیون کدر، تحلیل مولفه اصلی. یا ارائه مجدد فرکانس زمان – هزینه) به منظور تجزیه سیگنال های عصبی در نظر گرفته می شود که مولفه های نونه را پاک می کند.
]2[ یک سیستم برای تمایز امر مورد دلخواه، در این حالت، معماری های گوناگونی طراحی می شود و تست می شوند. بویژه پتانسیل های تکنیک های باصطلاح نرم افزاری (شبکه هیا عصبی، سیستم های مبهم، الگوریتم های ژنتیکی) مورد تجلیل واقع می شوند.
چندین ساختار گوناگون مبتنی بر الکوریتم های آماری و نرم افزاری تحت پژوهش هستند ]15 و 14[. این سیستم ها در وهله نخست با استفاده از سیگنال های عصبی ثبت شده بوسیله میکرونروگرافی تست می شوند (شکل 9).
LLC باید کنترل حلقه بسته محرک پروتز را طبق امر t* که از سوی HLPRM برگزیده شده انجام دهد (و اطلاعات حاصله از حساسگرها).
همینطور در این حالت، چندین الگوریتم مبتنی بر تکنیک های نرم افزاری اجرا خواهد شد. در آزمایشات اولیه، LLC به عنوان یک کنترل کننده منطقی مبهم اجرا شد که به منظور استخراج حرکات پروتزی دست بر اساس اطلاعات حاصله از کنترل کننده سطح بالا (HLC) به شیوه حلقه – بسته بوده است. یک FLC نیاز به یک مدل صریح از دستگاه ندارد و این در کاربردهای موتور درایو بسیار مفید واقع می شود جایی که بار مکانیکی غیرخطی یا تا حدودی ناشناخته یا متغیرات در این آزمایشات اولیه HLC صرفاً یک عملکرد اتفاقی بگزیده در میان گزینه های متفاوت ممکن است. اگر دستور انتخاب شده از طریق HLC "بازکردن دست" بود، این سیستم وضعیت فعلی دست را می خواند و دستورات لازم را برای موتور جهت رسیدن به وضعیت مطلوب فراهم می ساخت (که برای بازشدن ماکزیمم دست است). اگر دستور "گرفتن شی" باشد، این سیستم اطلاعات نیروی دست را از طریق ارتباط با میکروکنترل کننده بدست می آورد، که با استفاده از بخش موازی، و دستور فراهم شده برای موتورها (حرکات) بسته به نیروی گرفتن مطلوب است. این دست تا رسیدن تماس بسته می ماند.
پس از این رخداد، انگشت شست متوقف شد و انگشتان نشانه و میانی از طریق دستورات FLC بسته می شوند تا اینکه تفاوت بین نیروی واقعی و سطح مطلوب کمتر از آستانه تحمل باشد. ورودی های FLCخطای وضعیتی بودند (یا نیروی وابسته به اقدام اجرایی) و تغییر در خطای وضعیتی (نیرو)، و خروجی همان تغییر در ولتاژ حرکتی بود. کنترل نیز طبق خطای وضعیت (نیرو) افزایش یا کاهش می یابد. پایه قاعده یک کنترل کننده PI را در حد مطلوب در ]16[ اجرا می کند.
FLC یک کنترل کننده PIP کلاسیک در اجرای امور گوناگون مقایسه شد (باز شدن و بسته شدن دست). FLC در هر دو امر PID را اجرا نمود، و زمان مناسب با کاربردهای بلادرنگ را بالا برد.
بالاخره به منظور اجرای بازخورد حساسگر توصیف سیگنال های عصبی رو به مرکز در حال توسعه است. ]17[.
5- نتیجه گیری
در این مقاله، توسعه یک پروتز جدید ارائه شده است. این پروتز بنام دست RTR II، مبتنی بر مکانیسم های تحریک شده است که اجازه کسب توانایی های گرفتن خود تطبیق را بدون سنجش مکانیکی و کنترل پیچیدگی می دهد، بنابراین به عمل آوردن انعطاف پذیری پروتزها در حالیکه راه حل تحریک پذیری را حفظ می کند و الگوریتم های کنترل ساده را نیز حفظ می نماید.
این دست همینطور با چندین حساسگر عمقی و خارجی که از رهگذر حساسگرهای طبیعی بوجود می آید، هر دوی حساسگرهای موقعیتی و حساسگرهای نیرو شناسایی و تست شده اند. نتایج اولین آزمایشات با این حساسگرها ارائه شده اند. این نتایج کاملاً نویدبخش هستند، هم برای اجرای کنترل حلقه سطح پایین فاز گرفتن، و هم برای خلق سیگنال های حساسگر انتقال یافته به کاربر از طریق یک واسطه عصبی مناسب.
و سرانجام، این تحقیق برای شناسایی کنترل پروتزها (تقسیم شده به مدوله تشخیص الگوی بال، کنترل سطح پایین، و شبیه سازی عصب های رو به مرکز) همراه با نتایج اولیه ارائه شده است.
این سیستم پایه جاری شناسایی پروتزهای جدید است که از طریق مقطوع العضو احساس می شود یعنی هنگامی که عدم اندام طبیعی یک بازخورد حسی طبیعی را (بوسیله شبیه سازی عصب های ویژه رو به مرکز) توزیع می کند و در یک شیوه خیلی طبیعی از طریق پردازش سیگنال های عصبی رو به مرکز که از دستگاه عصبی مرکزی می آید کنترل می شود (افزایش پاسخ دهی و عملکردی پروتزهای کنترلی مبتنی بر EMG جاری)
تشکر و قدردانی
این اثر تا حدودی به حمایت "مرکز تحقیقات کاربردی مهندسی توانبخشی" در ویارگویی (ایتالیا Lu,) از طریق INAIL (توسعه ملی برای بیمه کارگران مجروح) انجام شده و از طریق یک کار و تلاش مشترک INAIL و Seuola Superiore… انجام شده است. این کار همینطور از طرف صندوق CYBER HAND (توسعه سیبرنتیک دست" #2001-35094پروژه(IST-FET حمایت شده است.
طراحی و آزمایش روی دست جدید بیومکاترونیک
چکیده: یک پروتز اندام ایده آل فوقانی باید به عنوان بخشی از جسم طبیعی است و باید توانایی های حسی – حرکتی اندام قطع شده را شبیه سازی کند. به هر حال چنین پروتز سیبرنتیک ایده آل هنوز هم از واقعیت دست حقیقی فاصله دارد: دست های پروتز پی جاری گیره های ساده همراه یک یا دو درجه آزادی هستند، که توانایی یک انگشت شست – نشانه را در خود دارد. این مقاله طراحی و ساخت یک دست پروتز جدید مبتنی بر بیومکاترونیک و رویکرد سیبرنتیک را توصیف می کند. رویکرد ما در تهیه هماهنگی حسی – حرکتی طبیعی برای عضو قطع شده است، که از طریق ترکیب مکانیسم های تقلیدی زیستی، حساسگرها، محرک ها و کنترل آنها از طریق واسطه دست با سیستم عصبی اصلی عمل می کند.
1- مقدمه
توسعه پروتزهای یک اندام فوقانی که به عنوان بخشی از جسم است از طریق مقطوع العضو احساس می شود ]گیرنده عضلانی فیزیولوژیکی کسترش یافته EPP – ]1[)، و آنچه را که از طریق تشبیه سازی دقیق توانایی های حسی – حرکتی آن قطع شده (پروتزهای سیبرنتیک ]2[( ) بسیار از نوع حقیقی آن فاصله دارد. در واقع، دست های تجاری پروتزی قادر به ارائه عملکرد کافی و فراهم ساختن اطلاعات حسی – حرکتی برای کاربر نمی باشند. یکی از مشکلات مهم وسایل موجود نبودن درجات آزادی (DOFS) می باشد.
وسایل موجود ساختگی بازرگانی، از قبیل اتوبک سنسور (otto Bock sensur Hand) همین طور طراحی دست های چند منظوره ]9 و 8 و 7 و 6 و 5و 4 و 3[ دور از تهیه توانایی های دستکاری دست انسان هستند ]10[. این به خاطر دلایل مختلف است. به عنوان مثال، در دست های پروتزی که فعالانه خم می شوند و به دو یا سه مفصل محدود می شوند، که از طریق یک موتور درایو مجزا تحریک می شوند به دو یا سه مفصل محدود می شوند، متاکارپو – فالانجیل (MP) انگشت شست، از انگشت نشانه و میانی عمل می کنند، در حالیکه سایر مفصل ها فقط بطور غیر فعال خم می شوند.
شیوه غلبه بر این مشکلات عبارت از توسعه یک پروتز سیبرنتیک است که بدنبال یک رویکرد بیومکاترونیک است، مثلاً از طریق طراحی یک سیستم مکاترونیک برگرفته از دنیای زیستی. پروتزهای سیبرنتیک باید مسائل زیر را از پروتزهای تجاری حل کنند:
1. توانایی های کاهش یافته گرفتن اشیاء
2. ظاهر غیر عادی
3. نبودن اطلاعات حسی داده شده به عضو قطع شده.
4. نبودن واسطه دستوری طبیعی
اولین و دومین مشکل از طریق افزایش تعداد DOFS فعال و غیر فعال حل می شود:
این امر از رهگذر ضمیمه ساختن تعداد بیشتری محرک در ساختار دست و طراحی مفصل های دوتایی دست یافتنی است.
سومین و چهارمین مشکل از طریق توسعه یک واسطه طبیعی بین سیستم عصبی جانبی (PNS) و یک وسیله مصنوعی (مثل یک واسطه عصبی طبیعی (NI) برای ثبت و شبیه سازی PNS در یک شیوه انتخابی برطرف می شود. این امر به منظور میسر ساختن کنترل مبتنی بر ENG از پروتزهای مربوط (جهت حل مشکل چهارم) و ارائه نوعی بازخورد حسی به عضو قطع شده از طریق شبیه سازی به شیوه مناسب عصب های رو به مرکز مفید واقع می شود (که پس از توصیف سیگنال های رو به مرکز PNS در پاسخ به محرک مکانیکی و گیرنده عضلانی است) و برای شکل سوم پروتزهای موجود تجاری است. این رویکرد در نمودار 1 نشان داده شده است.
فعالیت، تحقیقاتی جاری در سکولا سوپریر سانت آنا برای هدف توسعه ای یک دست مصنوعی بیومکاترونیک کنترل شده از طریق یک NI طبیعی بود که در این فصل مطرح می شود. بویژه، نتایج اولیه حاصله در سیگنال های ENG از عصب های رو به مرکز نشان داده می شوند و مورد تحلیل واقع می شوند.
2. طراحی دست بیومکاترونیک
شرایط اصلی در نظر گرفته شده از آغاز طراحی دست مصنوعی بصورت زیر هستند: قابلیت کنترل، فاقد سر و صدا، روشنی و مصرف کم انرژی. این شرایط از طریق اجرای یک طرح جامع با هدف در نظر داشتن عملکردهای گوناگون برآورده می شوند (مکانیسم ها، تحریک، احساس و کنترل) که در داخل اتاقک شبیه ساز شده دقیق از نظر شکل، اندازه و ظاهر دست انسان. این رویکرد از طریق عبارت طرح "بیومکاترونیم" ]11[ سنتز می شود.
1-2 ساختار دست بیومکاترونیک
دست بیومکاترونیک به سه سیستم تحریک کننده مجهز است تا یک گیرش سه پایه ای فراهم کند: دو سیستم محرک انگشت همسان و یک محرک انگشت شست (به نمودار 2 نگاه کنید).
سیستم محرک انگشت مبتنی بر محرک میکرو است، که مفصل های MP، PIP را به ترتیب ذکر شده حرکت می دهد، بنا به دلایل کیهانی، هر دوی محرک یاد شده کاملاً در ساختار دست ترکیب می شوند: اولین آن در کف دست و دومین در بند مرکزی است. انگشت شست مجهز به دو DOF فعال در مفصل MP است و یک DOF غیر فعال نیز در مفصل IP است.
امر گیرش اشیاء به دو فاز متوالی تقسیم می شود که در آن این دو سیستم محرک متفاوت فعال هستند:
1) فازهای رمیدن و تطبیق شکل
2) فاز گیرش با انگشت شست مخالف
در واقع، در فاز (1) اولین سیستم محرک اجازه تطبیق انگشت با خصوصیات مورفولوژیکی شیء گرفته شده را بوسیله حرکت گشتاور خروجی کم می دهد. در فاز دوم، سیستم محرک انگشت شست یک نیروی مخالف ارائه می دهد که برای اداره کردن گیرش های بحرانی مفید است، بویژه در مورد اشیاء سنگین و لغزنده.
امری مهم است که خاطر نشان شود که بحرانی ترین مسئله ترکیب پیشنهادی به استحکام مورد نیاز برای تحرک های میکرو جهت استقامت بار زیادی وارد شده در طی فاز گیرش می باشد.
به منظور نشان دادن سهولت رویکرد بیومکاترونیک توصیف شده، ما از طریق توسعه یک انگشت (نشانه یا میانی) کار را شروع می کنیم.
2-2 طراحی و توسعه نوع واقعی انگشت
همانگونه که در بالا مطرح شد، دو نوع انگشت DOF از طریق تولید مجدد، تا حد نزدیکی ممکن، اندازه و قرابت انگشت انسان طراحی می شوند. این مثل سه بند و اتاقک کف دست است، که بخشی از کف مورد نیاز برای جا دادن محرک تقریبی است (شکل 3).
به منظور جور کردن اندازه یک انگشت انسان، دو میکرو موتور ترکیب می شوند. که به ترتیب ذکر شده در کف دست و در بند نزدیک است. سیستم محرک مبتنی بر (RMB , Eckeg, CH) Smoovy tm میکرو درایوها (به قطر mm5) از محرکهای خطی مبتنی بر موتورهای بدون بروس DC هستند.
نیروی خارجی حاصل از فعال سازی حرکت برای تکان دادن بندهایی جهت دستیابی به گیرش تطبیقی کافی است. علاوه بر این، اتاقک صدفی مقاومت مکانیکی محور را برای هر دوی یارهای محوری و شعاعی فراهم می سازد. این حالت در طی امور گرفتن اشیاء اساسی بنظر می رسد، جایی که بارهای گرفته از انگشت شست مخالف گرفته می شوند، هر دو روی سیستم محرک و بر کل ساختار انگشت عمل می کند.
اولین نوع واقعی انگشت با استفاده از فرایند مدل سازی بدون ترکیب (FDM) ساخته شد (شکل 4). این فرایند موجب ساخت در یک پروسه اشیاء سه بعدی می شود، که خارج از اکرونیتریت / بتادین / استرین [ABS]، بطور مستقیم از مدل های جامد ساخت CAD اسا.
3-2 ویژگی نیروی نوک انگشت
اولین مجموعه تست های آزمایشی به منظور ارزیابی نیرویی است که این انگشت قادر به گرفتن یک شیء خارجی است ]12[. برای این منظور ما نیروی حاصله از آن را می سنجیم، هنگامی که انگشت بطور مستقیم روی یک نیروی حساسگر فشرده می شود (سلول بار پیزوالکتریک 3 محوری 9251 A، KISTLER پیزو ابزاری، کیواگ، CH) که مطابق با ترکیبات گوناگون مفصل هاست.
دو کار مربوط به فشردگی به منظور ارزیابی مجزا و نیروهای گرفته شده از طریق دو محرک ترکیب شده در انگشت شناسایی می شوند:
امر 1 = عمل فشار دادن فقط از طریق محرک انتهایی بکار گرفته می شود
امر 2: عمل فشار دادن فقط لز طریق محرک نزدیک به مرکز بکار گرفته می شود
مطابق با هر امر، دو امر فرعی برحسب وضعیت مفصل غیر فعال (گسترده، خم شده) شناسایی شدند. ارزش های گوناگون زوایای چرخشی مفصل مطابق با هر امر فرعی است که در شکل 5 نشان داده شده است.
در طی توصیف نیرو نوک انگشت بر حساسگر نیرو فشرده می شود. مولفه های نیروی Z ثبت شد، خروجی های X و Y از بار مورد نظارت قرار گرفتند. این حالت از طریق تطبیق دادن وضعیت انگشت برای کسب یک نیروی موازی برای محور Z ثبت شد، خروجی های X و Y از بار مورد نظارت قرار گرفتند. این حالت از طریق تطبیق دادن وضعیت انگشت برای کسب یک نیروی موازی برای محور Z از بار کسب شد. اولین مجموعه تست های آزمایشی برروی نوع واقعی انگشت انجام شد، که با هدف ارزیابی مقدار نیروی انگشت قادر به اعمال روی یک شیء است.
4-2 نتایج و بحث
ده تست برای هر امر فرعی صورت گرفت. نتایج کسب شده در شکل 6 نشان داده می شوند. این مقادیر نیروها قابل مقایسه با نیروی بکار گرفته شده از طریق انگشت طبیعی انسان در طی یک کار ظریف است، لذا نشانگر سهولت رویکرد بیومکاترونیک را نشان می دهد، که حداقل برای این طبقه از امور دستکاری شده است. نیروی خروجی حاصل از فعال سازی حرکتی برای حرکت دادن بندهای گیرشی تطبیقی کافی می باشند.
3. توسعه یک واسطه عصبی هوشمند (NI)
1.3 ساخت آرایش میکروالکترودها
آرایش میکروالکترودهای مختلف روی لایه های سیلیکان (بنام "تاس") طراحی شده اند و با استفاده از فن آوری های میکروفابریک متعدد ساخته می شوند. در طرح مختلف تاس با ابعاد گوناگون، اندازه الکترود و ابعاد – درون حفره ای طراحی شد. این طرح ها اساساً برای آزمایشات در محیط غیر زنده و مصنوعی مورد استفاده قرار گرفتند که "نگهدارنده فعال الکترود 1" و "نگهدارنده فعال الکترود 2" نام دارند. یک عکس از نگهدارنده 2 در شکل 7 آمده است. برخی از تاس ها الکترودها را ترکیب نمی کنند (تاس غیر فعال) و برای اهداف کنترلی مورد استفاده هستند. به منظور کسب نیرومندی مکانیکی، هر سیلیکان بر یک حلقه تیتانیوم سوار می شود و از طریق لیزر ماشینی برای دربر گرفتن نگهدارنده الکترود و اتصالات الکتریکی ساخته می شوند.
2-3 نتایج الکتروفیزیولوژی
1-2-3 برقراری الکتروفیزیولوژی و شیوه ها
در تست های مصنوعی انجام شده روی موش های بزرگ نر در نیوزلند این کار انجام شد. برای اهداف کنترلی اولین مجموعه آزمایشات با استفاده از اولین کانال تهی راهنما انجام شد و سپس NI مبتنی بر تاس غیرفعال (مثل حفره ها ولی بدون الکترود) بدون اتصالات درونی انجام شد. مجموعه دوم آزمایشات با استافده از NI کامل ترکیبی تاس فعال اجرا شد. شیوه جراحی یکسانی برای این دو دسته آزمایش اتخاذ گردید.
ترکیب های برقراری متفاوت بسته به اجرای آزمایش مورد استفاده قرار گرفت. برای ثبت کردن از عصب دست نخورده، از عصب ایجاد شده در کانال راهنمای تهی و از عصب تاس غیر فعال، عصب سیاتیک تقریباً از طریق یک جفت الکترود الکترودهای (760112# FCH Hook همراه با ضربات ثابت جاری (با دوام و طول ms1/-08/0) از شدت های گوناگون شبیه سازی شد. پاسخ هایی برای هر دوی شبیه سازی آندی و کاتدی بدست آمدند. تحلیل الکترونروگرام (ENG) از طریق اندازه گیری پتانسیل عملکرد مرکب (CAP) از ثبت الکترودها (واقع در فاصله mm50 از محل شبیه سازی) اجرا شد.
در حیوانات لانه گیری شده با NI اتصال دهنده به یک راه انداز الکتروفیزیولوژیکی استاندارد برای ثبت عصبی و تحریک قرار گرفت.
یک سویچ مکانیکی به هر یک از 10 الکترودهای واسطه عصبی اجازه داد تا به دستگاه الکترونیکی متصل شود.
ضربات مجزا (با میزان دامنه = 40، دوام = ms2/0) در هر یک از 10 الکترود واسطه فعال توزیع شد. هنگامی که انقباض عضلانی مشاهده شد، که حاکی از حضور آکسون های عملیاتی است کانال یکسانی از واسطه عصبی که برای تحریک بکار رفت به دستگاه ثبت متصل شد و عصب همزمان بطور فعال مو رد نظارت قرار گرفت. فعالیت عصبی نیز در پاسخ به حرکات پای غیرفعال ثبت شد (مثل گستراندن).
2-2-3 تحلیل کامپیوتری سیگنال های الکتروفیزیولوژیکی
سیگنال های آمپلی فایر روی یک نوار ضبط ذخیره شد و سپس تکرار شد و روی یک هاردیسک کامپیوتری دیجیتالی شد (که با استفاده از یک مبدلMID-16A/D انجام گرفت). برنامه های مناسب، مبتنی بر تکنیک های برنامه ریزی آزمایشگاهی به منظور کسب داده های آزمایش و همگام سازی شبیه سازی الکتریکی مورد استفاده قرار گرفت. دامنه و تاخیر پتانسیل های اقلام ترکیبی به منظور ارزیابی بهبودی عملکردی عصب تولید شده اندازه گیری شدند.
3-2-3 تحریک و ثبت از طریق عصب آکسون با استفاده از NI#6
جالب ترین نتایج مواردی هستند که روی 8، rabbit#inter با استفاده از NI#6 کسب شدند. در این حیوان ویژه، تحریک سازی و ثبت پس از 48 روز لانه گیری اجرا شد. در این هنگام عصب ایجاد شده از طریق NI است. هیچ علائمی از زیان عصب و / یا نقص وسیله قابل رویت نبود. واکنش بافت برای آن مورد که در آزمایشات کنترل بافت شد مشابه بود. کابل پهن اتصالی هنوز دست نخورده بود و به آسانی، به منظور اتصال به سیگنال دو شاخه، پیچیده می شد.
دوام پتانسیل واکنش در حدود ms5/1-1 است و دامنه آن در حدود 110 است. یک فعالیت الکتریکی جامع با توجه به سطح آرام در پاسخ به حرکت پا (گسترش پا و مچ پا) در شکل 8 نشان داده شده است.
4-2-3 تحریک عصبی با استفاده از NI#6
تحریک عصبی از طریق NI#6 انجام شد، آنگونه که از طریق یک انقباض
پا / مچ برای هر تکان ارائه شده به عصب از طریق آرایش میکروالکترود است نشان داده می شود. آستانه جاری که یک انقباض را باعث می شود از ترتیب دهم است، که کمتر از جریان مودر نیاز برای تحریک عصبی با استفاده از الکترودهای درون سلولی آزمایش کنترل صورت گرفته است. سیگنال های روشن EMG از طریق گروههای عضله ای که در شکل 9 نشان داده شده است ثبت شدند.
4- تکنیک های پردازش ENG
به منظور توصیف سهولت استخراج اطلاعات جسمی – حرکتی از سیگنال های ENG ثبت شده از عصب های رو به مرکز، برخی از آزمایشات اولیه را در ترکیب با مرکز تعامل حسی – حرکتی اجرا کردیم. (دانشگاه آلبورگ، آلبورگ- DK). در این بخش نتایج آزمایشات بطور مختصر توصیف می شوند.
1-4 برقراری آزمایشگاهی
آزمایشات حاد با استفاده از چهار موش بزرگ نر نیوزلندی (به تعداد بسیار کثیری) انجام شدند. کمیته دانمارکی برای استفاده اخلاقی حیوانات در تحقیق تمام شیوه های مورد استفاده در آزمایشات را تصدیق نمود. دو عصب سه قطبی با الکترودهای آن در اطراف عصب های استخوانی و نازک نئی قرار گرفتند (که شاخه های اصلی عصب سیاتیک هستند) در پای چپ موش (با طول دست تقریباً mm20، قطرهای داخلی mm2 و mm8/1 به ترتیب ذکر شده بودند) لانه گیری شدند. الکترودهای دست طبق روش توصیف شده در ]14[ تولید شدند بجز اینکه یک برش مستقیم به عنوان یک شیوه انسدادی قرار دارد. عصب ماهیچه ای ساق پا که بلافاصله در کنار الکترود انتهایی قرار دارد برای به حداقل رساندن گزارش ثبت ناخواسته فعالیت ها در طی آزمایشات است. در شکل 10، طرحواره محل تکمیل الکترودهای شست ارائه شده است (آماده سازی های مشابه خرگوش در سایر آزمایشات دیکر مورد استفاده قرار گرفته است، به ]14[ نگاه کنید).
وسیله مورد استفاده در طی آزمایشات در بر گیرنده یک سرومتر کنترل شده کامپیوتری مورد استفاده است که بطور غیر فعال مچ پای خرگوش در این حالت می چرخد.
یک وسیله حمایتی و ثابت سازی مجهز به چهار میزان کششی به عنوان نیروگردان مورد استفاده بوده است (با حسایت Nm/v10). یک نیروگردان چرخشی مبتنی بر بینایی برای ثبت وضعیت مچ پا در طی حرکات مورد استفاده قرار گرفته است. (با حساسیت Nm/v 10). این وضعیت و سیگنال های گشتاور در Hz500 نمونه گیری شدند. این خرگوش روی سمت راست آن قرار گرفت. و پای چپ روی یک کلاف سوار می شود. زانو و مفصل مچ پا در طی این آزمایش ثابت شدند. یک توصیف روشن از وسیله آزمایشگاهی در ]14[ قابل دیدن است. کل ثبت های عصبی از قبل 000/200 بار تقویت شد، که با استفاده از یک ترتیب 2nd آنالوگ فیلتر باترورت (KHz5 – Hz500)، صورت گرفت و در KHz10=fs (12 بیت A/D) زاویه مچ پا از یک موضوع انسانی معمولی در طی ایستادن به ثبت رسید و این سیگنال به عنوان یک وسیله برای حرکت مچ پای یک خرگوش مورد استفاده قرار گرفت.
تمام سیستم اعصاب بطور فعال و عصب های نازک نئی به صورت توصیف شده در ]4[ ثبت شدند. تمام ثبت های ENG تصفیه شدند و در طی یک پنجره ms9 یکپارچه شدند. وضعیت و داده های گشتاور بصورت اندک درHz100=fsp (با ترتیب th12 فیلتر باترورت دیجیتالی) تصفیه شدند.
2-4 مدل ها ی مبهم
سه فاز مبهم با ویژگیهای زیر تکمیل شدند:
1) مدل مبهم تغییر یافته FCRM یک تاکاجی – سوجنو (Ts) از سیستم مبهم است.
برای اینکه این قواعد بطور مستقیم از داده ها، یک الگوریتم خوشه بندی مبهم بنام مدل برگشت (FCRM) C تکمیل می شود ]15[.
2) یک سیستم واسطه ای مبهم مبتنی بر شبکه تطبیقی (ANFIS) یک سیستم مبهم TS به عنوان یک شبکه عصبی تغذیه ای رو به جلو تکمیل می شود. ویژگی اصلی این شبکه روش یادگیری ترکیبی توصیف شده در ]16[ است.
3) سیستم منطقی مبهم دینامیکی غیر سینگلتون (DNSFLS) یک سیستم مبهم مامدانی است، که در چارچوب شبکه های عصبی تکرارپذیر تکمیل می شود.
5- نتیجه گیری
این مقاله نشان دهنده فعالیت های تحقیقاتی اجرا شده در اسکولا سوپریر سانت آنا برای توسعه پروتزهای سیبرنتیک است. ما بطور جاری یک نوع واقعی از دست بیومکاترونیک را طراحی می کنیم و شیوه های پردازش سیگنال ENC را توسعه می دهیم که برای توصیف پاسخ های رو به مرکز PNS است. علاوه بر این هماهنگی پروژه GRIP EU (هماهنگ شده از طریق اسکولا سوپریر سانت آنا) بطور رایج در حال توسعه یک سیستم قابل تکمیل برای ثبت و تحریک PNS با یک ارتباط تله متری است که با یک سیستم کنترل خارجی همراه است. این وسیله در آزمایشات برای طراحی پروتزهای سیبرنتیک مورد استفاده است.
6- تقدیر (تصدیق)
این کار از طریق یک پروژه تحقیقاتی بنام "طراحی و توسعه مولفه های نوآوری برای سیستم های پروتز حساس شده" که از طریق ادامه در "مرکز تحقیات کاربردی مهندسی توانبخشی" است که از طریق INAIL (توسعه کلی برای بیمه کارگران مجروح) تامین مالی می شود. همینطور از طریق یک حالت اشتراکی بدیع با INAIL و اسکولا سوپریر سانت آنها ارتقاء یافته است. این اثر تا حدودی از طریق پروژه GRIP Eu کمک مالی شده است. (یعنی یک سیستم یکپارچه برای کنترل عصبی الکتریکی گیرش در اشخاص ناتوان است ESPRIT LTR#26322.).
نویسندگان نیز قدردان آقای کارلو فیلیپ شی و آقای گاندیل فاواتی به خاطر کمک های فنی با ارزش او هستند. نگارندگان از آقای رینالدو ساچتی به خاطر مباحث مفید او و نقد مفهوم دست مصنوعی بیومکاترونیک تشکر می کنند.