جستجو

 
پنج شنبه
بهمن
1397
04
 

پژوهشكده مهندسي و علوم پزشكي جانبازان – گروه پژوهشي تجهيزات پزشكي

ام البنين اميراني

 

چكيده :‌

Assistive Robotic Manipulator يا Short ARM‌كه تحت عنوان Manus نيز شناخته شده است. يك ربات 6+2 Dof است كه عملكرد دست و بازو را در افرادي كه دچار معلوليت و ناتواني شديد در اندامهاي فوقانيشان هستند، جبران مي كند. اين وسيله را مي توان روي يك ويلچر الكتريكي يا يك پايه متحرك سوار كرد و به اين ترتيب با كمك آن مي توان شمار زيادي از فعاليتهاي روزانه زندگي را چه در منزل و چه در بيرون و محل كار انجام داد.

بااستفاده از يك وسيله درونداد مانند Key pad (دكمه 4*4) ، دسته يا هر وسيله ديگري كه بتوان آن را به بخش سالم و فعال بدن وصل كرد مي توان دستگاه را جهت گرفتن اشياء به كار انداخت، زمانيكه از ARM استفاده نمي شود مي توان آن را به راحتي در كنار ويلچر تا كرد.

مطالعاتي كه برروي استفاده كنندگان اين وسيله در سراسر جهان صورت گرفته، نشان دهنده فوايد بسيار زياد استفاده از اين وسيله مي باشد. با استفاده از اين وسيله معلولين خود كفاتر شده، مشاركت اجتماعيشان افزايش يافته و به طور كلي كيفيت زندگي آنها بهبود مي يابد.

واژه هاي كليدي : Assistive Robotic Manipulator , Short ARM , Manus

 

مقدمه :‌

كمپاني Exact Dynamic كه در سال 1990، تأسيس شد، ربات Manus Manipulator را به صورت يك ربات معتبر و قابل اطمينان جهت توليد انبوه خصوصاً براي كاربردهاي توانبخشي بهينه سازي كرده است. اين ربات كه از نوع ربات 6+2 Dof است به افراد معلولي كه ناتواني شديدي در اندامهاي فوقانيشان دارند كمك مي كند و فقدان عملكرد بازو و دست را در آنها جبران مي كند.

ويژگيهاي ربات :‌

-     ويژگيهاي هندسي و پايه اي : وجود شش محور عمودي و سوار كردن اجزاي ربات در راستاي عمودي، بخش griper يا گيره كه اشياء را مي گيرد، دامنه حركتي cm80 ،‌ بيشترين سرعت 0.5m/s gripper ، وزن خود ربات 2kg ،‌بيشترين وزني كه مي تواند جابجا كند 2kg.

-         ويژگيهاي الكتريكي ، سيستم الكتريكي ربات شامل دو بخش است كه از طريق يك CAN-bus بهم متصل شده است:

1-     الكترونيكهايي براي gipper وشش درجه آزادي حركت

2-     راه اندازهاي موتور

3-     كدگذاري هاي وابسته يا نسبي

4-     كد گذارهاي مطلق

 

مصرف انرژي : ميزان انرژي مصرفي ربات 247/A2 است، اين مصرف پايين معمولاً نياز به باتريهايي با ظرفيت بالا ندارد. معمولاًباتريهايي كه براي ويلچر الكتريكي استفاده مي شود، ظرفيت كافي دارند.

نحوه اتصال به ويلچر : از آنجايي كه اين ربات به صورت يك سيستم متحرك طراحي شده است، مي توان آن را به ويلچر متصل كرد. خيلي مهم است كه اين اتصال و فيكساسيون محكم باشد، چرا كه هرچه اتصال محكمتر باشد،‌ دقت ربات و در واقع gripper آن براي گرفتن اشياء بيشتر مي شود. اگر ويلچر داراي بالا بر، صندلي باشد، توصيه مي شود كه ربات به فريم صندلي وصل شود. از آنجايي كه ساختار فريم هر ويلچر ممكن است با ديگري متفاوت باشد، بايد فيكاسيون يا اتصال ربات مطابق با فريم ويلچر طراحي شود.

به دو طريق مي توان ربات را به ويلچر متصل كرد: اتصال به سمت راست ويلچر ، اتصال به سمت چپ

بازوي ربات را مي توان به سادگي در سمت راست يا چپ ويلچر سوار كرد و آن را تغيير دارد. اين اتصال به چپ يا راست براساس يكسري معيارها صورت مي گيرد:‌

1-     كدام راستا و جهت براي استفاده كننده راحت تر است.

2-     پوزيشن اصلي پرستار يا مراقبت كننده براي دستيابي وكمك رساني به فرد معلول

3-     راستاي اصلي حركت ونقل و انتقال استفاده كننده

4-     تسهيلات فيكساسيون ويلچر

 

جعبه كامپيوتر (computer box) : معمولاً بهتر است كه كامپيوتر را پشت صندلي ويلچر در يك كيسه پلاستيكي براي خشك ماندن قرارداد. اگر كيسه پلاستيكي استفاده نشود، سمت قدام كامپيوتر بايد به سمت زمين يا پايين باشد. جعبه كامپيوتر خيلي پهن بوده و ضخامت آن فقط mm 35 و اين امكان را به ما مي دهد كه بتوانيم جعبه را روي وسايل ديگر مثل زير ميز ويلچر ، زير صندلي ، ... سوار كرد.

شرايطي كه فرد معلول براي استفاده از ARM بايد داشته باشد:

-         حداقل عملكرد دست وانگشتان ، اين حداقل عملكرد بايد به اندازه اي باشد كه بتواند وسيله درونداد (input) را به كار بياندازد.

-         به تنهايي قادر به خوردن و آشاميدن نباشد.

-         براي انجام فعاليتهاي ADL نياز به كمك داشته باشد، (عدم استقلال مشخص و محسوس)‌

-         با وجود امكان انجام فعاليت به طور مستقل اما هنوز نياز به كمك داشته باشد.

-         انگيزه و قدرت راه اندازي ربات را داشته باشد.

-         قابليتهاي ادراكي و تشخيصي كافي را داشته باشد.

-         قابليتهاي بينايي كافي

-         قادر به كاركردن با كامپيوتر باشد.

-         از ويلچر الكتريكي استفاده كند.

 

نحوه آموزش :‌

درابتدا فقط چند ساعت كوتاه ،‌استفاده از ربات به فرد آموزش داده مي شود. سپس به مدت سه ماه ربات به طور آزمايشي در اختيارفرد قرار داده مي شود. بعد از سه ما يك ارزيابي از فرد به عمل آمده و ربات را به طور دائمي به فرد مي دهند. برخي از فعاليتهايي كه ربات انجام مي دهد:‌

-         كمك كردن به فرد در خوردن و آشاميدن .

-         آماده سازي غذا و نوشابه ، مثل استفاده از ماكروويو و قهوه جوش .

-         خاراندن بخشي از بدن

-         نظافت شخصي مثل كمك در استفاده از ريش تراش برقي ، مسواك زدن دندانها

-         انجام فعاليتهاي خانه داري ، مثل شستن ظرفها ، تميز كردن اتاق، آب دادن به گياهان ، ...

-         روشن و خاموش كردن چراغ برق

-         انجام فعاليتهاي شغلي مثل ، گذاشتن ديسك داخل كامپيوتر

-         روشن كردن تلويزيون ، ويدئو ، ...

-         فعاليتهاي تفريحي مثل ، شطرنج ،‌نقاشي كردن و ورق زدن كتاب ، ...

-         برداشتن اشياء از روي زمين يا داخل قفسه ، ...

-         باز كردن در ،‌دراور يا

-         فعاليتهاي بيرون از منزل مثل خريد كردن از فروشگاه ، قرض گرفتن كتاب از كتابخانه ، ...

البته اينها فقط بخشي از فعاليتهاي بسيار زيادي است كه ربات انجام مي دهد. چرا كه فرد خود مي تواند تعيين كند كه چه چيزي بايد انجام شود.

فوايد ربات ARM :‌

دو فايده اصلي ربات عبارتند از : 1- فوايدي كه براي استفاده كننده به همراه دارد.     2- فوياد مالي و ارزي

در افراديكه عملكرد دست و بازويشان كاهش يافته، افزايش استقلال با استفاده از ربات ARM يك مسئله بسيار مهم و جدي مي باشد. جايي كه ويلچر جايگزين عملكرد كاهش يافته پا مي شود، ربات هم جانشين عملكرد دست و باز مي شود. افزايش استقلال منجر به افزايش يكپارچگي در جامعه و افزايش تحرك مي شود، چرا كه فرد مي تواند هر جا كه بخواهد برود. فوايد مالي نيز قابل توجه مي باشد، كم كردن دو ساعت مراقبت تخصصي در روز خود باعث بازگشت تقريباً سرمايه يك تا دو سال مي شود. در ارزيابي كه هلند از مصرف كنندگان انجام داد، نشان داد كه تقريباً هر مصرف كننده حدود 2 ساعت در روز از ربات استفاده مي كند. در يكي از اين استفاده كنندگان كه 12 ساعت در هفته از ربات استفاده مي كرد، اين امكان برايش فراهم آمده بود كه يك زندگي جداگانه و در عين حال يكپارچه با اجتماع داشته باشد.

برخي از سؤالاتي كه در رابطه با ربات مطرح مي شود:

1-   مصرف انرژي مانيپوليتور چقدر است ؟ استفاده مداوم از ربات نياز به 2A/24V  دارد. اين مقدار خيلي كم بوده و به ساگي مي توان با متوسط باتريهاي ويلچر به كار انداخت. فقط مرحله استارت و شروع به كار آن نياز به 3A/24V دارد. اگر وسيله خاموش نشود، به طور پيوسته انرژي را براي حفظ پوزيشن خود مصرف مي كند، تا كردن بازو و خاموش كردن ربات،‌مصرف انرژي را متوقف مي كند.

2-   آيا تسهيلاتي براي برنامه مانيپوليتور وجود دارد؟  با استفاده از نرم افزار transparant mode software برنامه ريزي مانيپوليتور از طريق CAN-bus و PC امكان پذير خواهد بود. همچنين نرم افزار ADAPTICOM براي برنامه ريزي فعاليتهاي شغلي در دسترس است . كه اين بخش فقط براي استفاده آزمايشي است.

3-     تعداد بايت در ثانيه CAN-bus (boudrate) چقدر است؟ 250KBAUD

4-   دقت پوزيشن ربات چقدر است؟ از آنجايي كه ربات در زمان واقعي توسط استفاده كننده كنترل مي شود، دقت بازوي ربات آيتم مهمي نيست. استفاده كننده در هر زماني قادر به كنترل بازوي ربات خواهد بود. نمي توان دقت بازوي ربات را اندازه گرفت. اما اين امكان وجود دارد كه در مورد حداقل جابجايي گريپر با فشار دادن كليد كي برد براي انجام حركات متوسط و بينابين صحبت كرد. ميانگين كمترين جابجايي گريپر حدود mm 5 مي باشد.

5-   امكان دارد كه ربات را به طور عرضي (horizental) سوار كرد؟ خير ، به خاطر چرخش روي محور عمودي، در واقع با سوار كردن عرضي اين چرخش حذف مي شود. همچنين مفهوم اساسي بازو فقط براي سوار كردن عمودي است.

6-   آيا مي توان با ربات چيزي را از روي زمين برداشت؟ بله ، با استفاده از بازوي ربات مي توانيد اشياء را از زمين بلند كنيد.  بنابراين شما نياز به يك واحد بلند كننده (lift-unit) داريد كه بازو را قادر مي كند تا حركت عمودي بيشتر از mm‌250 را انجام دهد. با اين حركت اضافي شما مي توانيد به سادگي به زمين و قفسه هاي بلندتر برسيد.

7-   چه وزني را مانوس مي تواند بلند كند؟ مانوس مي تواند تا (appr . 41bs)2 kg را بلند كند. با اين ظرفيت بلند كردن ،‌بيشتر فعاليتهاي روزمره را مي توان با مانوس انجام داد.

8-   مي توان در هنگام راندن ويلچر از بازو استفاده كرد؟ بله – اگر استفاده كننده توانايي كنترل ويلچر را با يك دست و ARM را با دست ديگر داشته باشد. اما اين كار معمول نيست،‌چون انجام اين كار يك فعاليت پيچيده است. خصوصاً اينكه هم بازو و هم ويلچر با هم در يك روش اضافي عمل مي كنند،‌مثلاً هنگام باز كردن در يا قفسه مي توان اين عمل را اول با گرفتن در و سپس با حركت ويلچر به سمت عقب انجام داد.

9-   وزن بازو چقدر است؟ آيا اين وزن مي تواند تعادل ويلچر را تحت تأثير قرار دهد؟ وزن ربات به همراه بخش ساپورت كننده آن حدود kg‌15 است و اگر يك واحد بالا بر آن سوار شود، وزن كلي تا kg 18 مي رسد. بنابراين يك ويچلر محكم مورد نياز است و با يك ويلچر مدرن الكتريكي ، شما نمي توانيد هيچگونه عدم تعادلي را حس كنيد، فشار بايد در همه تايرها چك شود.

10- آيا ربات هيچگونه بخش ايمني دارد؟ بله ، مانوس مخصوصاً براي استفاده در محيطهاي انساني و مخصوصاً براي افراد ناتوان طراحي شده است. بنابراين حداكثر قدرت موتور،‌سرعت حركت بازو و قدرت گريپر محدود شده است. بعلاوه هر مفصل ساختار لغزشي دارد كه استفاده كننده و نيز مراقبت كننده را قادر مي سازد تا بازوي مصنوعي را به بيرون فشار دهد. به عبارت ديگر با استفاد از اين ساختار لغزشي ، وقتي بازو به در ،‌ديوار يا هر چيزي ديگري كلاپس مي كند، بي خطر مي شود. رباتهاي جديد داراي گريپري هستند كه وقتي ربات شروع به كار مي كند، خود به خود باز نمي شوند و براي باز شدن به دستور فرد استفاده كننده نياز است.

11- آيا مانوس هيچ موافقتي كسب كرده است؟‌ بله CE-Mark

12- ايا استفاده كنندگان خودشان مي توانند ربات را خاموش يا روشن كنند؟‌بله – در صورتيكه يك سوييچ روشن/ خاموش اضافي تعبيه شود،‌اين عمل امكانپذير است. اين سوئيچ را مي توان در هر بخشي كه براي استفاده كننده راحت تر است سوار كرد. براي استقلال بيشتر خود معلول چنين چيزي بايد تعبيه شود.

13- سنسور فيد بك مانوس چيست و دقت آن چقدر است؟ پوزيشن مانوس، بعد از راه اندازي مانوس، زاويه توسط يك كد دهنده مطلق با دقت 0.03  تعيين مي شود. سپس از يك كد دهنده وابسته استفاده مي شود تا فيد بكهاي پوزيشن فركانس بالا را بگيرد.

14- آيا ربات ضد آب است ؟ خير، نمي شود از آن در زير آب استفاده كرد، اما مي توان در يك محيط مرطوب و يا در بيرون از منزل از آن استفاده كرد.

15- آيا به همراه مانوس مي توان به راحتي از در داخل شد؟ معمولاً بازوي ربات ويلچر را پهن تر مي كند،‌اما اگر فيكساسيون كاملاًعالي طراحي شده باشد، پهناي اضافي ويلچر كمتر   از 50-77 mm خواهد بود.

16- چه اتفاقي ممكن است بيافتد اگر باتري ويلچر در انتهاب ظرفيت خود باشد؟ اگر ولتاژ باتري كمتر از  18 ولت باشد، ربات خاموش مي شود.

 

خلاصه اي از ارزيابي گروههاي استفاده كننده از ربات ARM:

اين ارزيابي توسط شركت GMD هلند در شهر نيدرلند انجام شد. طي اين ارزيابي سه سيستم مانوس روي ويلچرهاي سه فرد مورد آزمايش سوار شد. دو تا از اين افراد دچار بيماري دوشن و ديگري فلج بود. يكي از آنها در منزل والدينش زندگي مي كرد، يكي در ADL-cluster house و ديگري در آسايشگاه معلولين،‌كه هر سه مورد براي خوردن ، آشاميدن و جابجا كردن اشياء به كمكهاي ديگران وابسته بودند. در مرحله اول، از مانوس در منزل استفاده شد يعني فعاليتهايي كه انتظار مي رفت آنها با مانوس بتوانند انجام دهند،‌با پيشرفت آزمايش ، مانوس در مكانهاي مختلف براي انجام فعاليتهاي كاملاً جديد مثل فعاليتهاي سرگرم كننده مورد استفاده قرار گرفت. نتايج نشان داد ، نه فقط در حوزه فعاليتهاي ADL افراد به استقلال بسيار زيادي رسيدند بلكه تحركشان نيز افزايش يافت. به عنوان مثال آنها قادر بودند خودشان به تنهايي از آسانسور استفاده كرده و در هايي را كه مطابق با معلوليت آنها تغيير پيدا نكرده بود را باز كنند. خلاصه اينكه اكنون آنها قادر بودند د راتاقها و فضاهاي كاملاً طبيعي و معمول زندگي كنند.

به عنوان نتيجه گيري مي توان گفت در هر سه مورد، مانوس منجر به بدست آوردن استقلال و توانايي قابل توجهي در انجام فعاليتهايي گوناگون شد.

فعاليتهايي كه با استفاده از مانوس مي توان انجام داد بيشمار بود، ولي در مكانهاي مختلف تحت تأثير مسائلي مثل حفظ ايمني و جلوگيري از در معرض آسيب قرار گرفتن استفاده كننده مي باشد. و بسته به ميزان معلوليت و تصور ذهني فرد معلول فعاليتهاي مانوس محدود مي شود.

اگرچه مانوس مي تواند فعاليتهاي بسيار زيادي را براي فرد معلول انجام دهد اما در مواردي مثل حمام كردن،‌لباس پوشيدن ، رفتن و بيرون آمدن از رختخواب نمي تواند جايگزين پرستار يا فرد كمك رسان شده و بنابراين كمك رساني اطرافيان در چنين مواردي هنوز ضروري و به خودي خود باقي است. در واقع مانوس جايگزين نياز به كمك اطرافيان معلول نمي شود بلكه استفاده از كمكهاي ممكن را كارآمدتر مي كند.