دانلود مقاله دست مصنوعی سیبرنتیکی

دست مصنوعی سیبرنتیکی
مقدمه
انسان از دیر باز در جستجوی رفع معلولیت خویش بوده است و برای معلولیت عضوهایی مانند دست و پا،قطعات چوب و فلز را برای جایگزینی این اعضا استفاده نموده است.اما بطور مشخص پیشرفت تکنیک طراحی پروتز دست به روش الکتریکی بعد از جنگ جهانی دوم آغاز گردیده است.

فعالیت ساخت اندامهای مصنوعی (Artifitial organs) بیشتر مقارن با جنگهای بزرگ یا بعد آن بوده است که تعداد زیادی از جوانان قوی و نیرومند در صحنه های نبرد و یا مردم معمولی درزمان بمباران شهرها و یا در حین عمل جراحی دچار قطعی عضو می شوند و نیاز مبرم به اندام مصنوعی پیدا می کنند.

برای یک نوع اولیه، که به پای چوبی (peg-leg) یا دست چنگکی (Hook Hand) معروف بود، تاریخ 1866 ذکر گردیده است.

بعد از جنگ جهانی دوم و با توجه به تعداد زیاد معلولین نوع دیگری از اندام مصنوعی بنام پروتز متصل به کابل cable connected prostheses طراحی وساخته شد کابل موجود در این پروتز به منظور محکم کردن انتهای اندام به سوکت (socket) و همچنین لنگر انداختن کابلهای عمل کننده بکار میرفت.

در معلولین زیربازو (Below-ElbowAmputtes) چرخش شانه سبب کوتاه شدن کابل وباز شدن انتهای وسیله ی چنگکی شکل می شود و در معلولین بالای بازو (Above-1bow Amputees) براساس اینکه مفصل آرنج به وسیله کابل دیگری با حرکت بالارفتن شانه قفل شده است باشد با حرکت چرخشی شانه می توان دو حرکت باز شدن وسیله یا جمع کردن آرنج را انجام داد.

در 1948 R.Ritter یک پروتز مایوالکتریک دست را بنمایش گذاشت تا کارگرانی که در کارخانه دچار نقض عضو شده اند از آن استفاده کنند ولی استقبالی از این پروتز صورت نگرفت و باید توجه داشت که مطلوب بودن پروتزهای سنتی دست، در مجموع کم است.

ویتالی (VITALLY) و دستیارانش طی بررسی گزارشی داند که هفتاد درصد معلولین دست، این پروتزها را نپذیرفته اند این نتیجه شگفت انگیز را می توان چنین توجیه کرد که فقدان یک دست زندگی انسان را مختل نمی کند ومانع کارایی آن نمی شود البته معلولیت بنحوی سبب محدود شدن به زحمت افتادن وفشار روانی می گردد، اما اگر پروتز فایده قابل توجهی برای معلول نداشته باشد او ترجیح میدهد که بدون استفاده از ان به زندگی خود ادامه دهد، بخصوص اینکه ا ستفاده از آن برای او مشکل ظاهری و نحوه بکارگیری آن باعث جلب توجه دیگران شود.البته در جهت رسیدن به فایده های بیشتر در دست مصنوعی، پس از توسعه تکنولوژی الکترونیک مسئله استفاده از سیگنالهای مایوالکتریک در کنترل دست مصنوعی مطرح گردید.

تحقیقات اولیه توسط Reltter و در ادامه آن korbinsky در شوروی منجر به ارائه اولین سیستم کنترل مایوالکتریکی با کاربرد کلینیکی گردید واز آن پس تاکنون در کشورهای مختلف جهان از قبیل کانادا- سوئد- یوگسلاوی-ایتالیا-آمریکا –انگلستان به طراحی و اصلاح سیستم کنترل مایوالکتریک در پروتزهای دست پرداختها ند ودر این طراحی ها سیگنال ورودی الکترومایوگرام نقش کنترل کننده ON/OFF را برای راه اندازی موتور محرکه پروتز دارد.

در این روش ساده از الگوریتم های شناخته الگو وروش های پیچیده پردازش سیگنال استفاده نمی گردد بلکه از هر محل الکترود برای کنترل تنها یک حرکت استفاده می شود.

هم اکنون این روشها بطور موفقیت آمیزی برای طراحی وساخت پروتزهای دست مورد استفاده واقع شده اند.

بخصوص در مواردیکه یک یا دو حرکت مورد نظر باشد، این پروتزها توسط معلولین بکار گرفته شده اند.

یک پروتز دست مصنوعی برای اینکه بتواند بخوبی و بطور کلینیکی توسط معلولین پذیرفته شود باید دارای خصوصیاتی باشد که در بسیاری از موارد از نظر تکنولوژی وطراحی با یکدیگر متناقض می باشد برای مثال دست مصنوعی از یک طرف می بایست دارای قیمت و وزن مناسب باشد و حالات زیبایی در آن رعایت گردد و و از یکطرف باید بسادگی قابل کنترل باشد وفرد معلول بایستی بتواند با حداقل خطای ممکن حرکت پیش بینی شده را بدون نیاز به تمرکز فکری زیاد که موجب خستگی وی شود، انجام دهد که معنی پیچیده شدن بیشتر سیستم، گرانی و پرمصرف بودن آن وسنگینی پروتز می باشد.

یک پروتز دست باید حتی المقدور حرکات عملکرد آن شبیه دست سالم بوده و نسبت به دستورالعمل های ارسالی از سوی فرد معلول بلادرنگ عمل نماید وبطور کلی یک پروتز دست نه فقط بر مبنای شاخص های مکانیکی بلکه براساس اینکه در مجموع سیستم انسان- ماشین قابل قبول واقع گردد، مورد ارزیابی وقضاوت قرار میگرد.

پیچیدگی عملکرد پروتز دست مصنوعی در قدم اول مستقیما متناسب با مقدارو سطح معلولیت دست می باشد زیرا که با افزایش سطح معلولیت پروتیز می بایست قادر به انجام توابع حرکتی پیچیده تری باشد.

از اولین دستهای ساخته شده تا دستهای نوین امروزی، دو حرکت عمده به چشم می خورد:

یکی شناخت دست طبیعی و چگونگی عملکرد آن ودیگری کنترل حرکت اولین حرکت منجر به ساخت دستهای تکامل یافته تر نظر Epp ,EMG گردید وحرکت دوم با توجه به تکنولوژی روز به بهبود کنترل پرداخته است.

با وجود پیشرفت های بسیار در زمینه کنترل دستهای تولید شده امروزی فاقد کنترل کننده های نوین می باشد زیرا: 1-بکارگیری یک زمینه تئوری در کار عملی به ویژه کاربردهای خاص نیاز به افرادی دارد که در هر دو زمینه آشنایی کافی داشته باشند( نظیر کنترل ومهندسی- پزشکی) 2-دست مدد جو به صورت سیرنتیکی عمل می کند و نظیر ربات حرکات آن از قبل تعریف شده نمی باشد.

از این رو در کار کنترل علاوه بر محدویت زمانی (به جهت عملکرد بی ورمک) باید قابلیت یادگیری در سیستم وجود داشته باشد تا در طول زمان بکارگیری دست ساده تر باشد.

3-به دلیل محدودیت فضا ووزن به جهت استفاده از موتور- منبع تغذیه-مدارهای واسط کنترل کننده های میکروپروسسوری و حسگرهای لازم به کارگیری اکنترل کنترل کننده های قوی تاکنون مقدور نشده است.

اولین واصلی ترین گام در جهت ساخت دست مصنوعی از آن رو صورت گرفت که فرد مددجو را از نظر روانی تقویت نماید تا بتواند نبود دست را جبران کند.

و شاید به همین دلیل دست های زینتی برای جبران صورت ظاهری معلول ساخته شد بدین لحاظ این تکامل دست مصنوعی از دست چوبین و چنگکی تا دستی که تا حد امکان قادر به حرکاتی مشابه وکات طبیعی باشد و کاربرد آن به وسیله شخص مددجو محتاج به تمرین دقت و تمرکز خاص نباشد صورت گرفته است.

مهندسین درتلاش هستند تا به کمک تکنیکهای مختلفی از قبیل شناخت الگوهای پردازش دیجیتالی سیگنالها و روش های هوش مصنوعی و شبکه های عصبی (Neural Network) به شاخص وعملکردهای مطلوبی برای افراد معلول در کنترل دست مصنوعی دست یابند.

در این پروژه سعی شده است مقایسه بین انسان و ماشین وهمچنین سیر تکاملی دست مصنوعی تعقیب گردد و با بررسی عمیق تر سیگنال الکترومایوگرام و دریافت پردازش آن سعی شده است راه عملی را برای گروهها وتیم های بعدی جهت کار بر روی دریافت سیگنال وتقویت وپردازش و تعیین شناخت الگوهای حرکتی و نهایتا راه اندازی دست با کنترل ارادی هموار گردد.

البته قبل از 1940 این تصور که بتوان فرمان مغز رادر عملکرد دست مصنوعی بکار گرفت غیر ممکن می نمود اما باید اعتراف کرد که علیرغم پیشرفت های زیاد در حرکات ارادی دست مصنوعی سیبرنتیک هنوز تا کامل شدن پروتز راه بسیاری در پیش رو است وگاها شاید آهنگهای ناامیدی در عمل بگوش می رسد.

البته باید گفت از عمده ترین مسائل در این پروتز الگوریتم شناخت الگوی سیگنال است که امیدوارم با شروع این حرکت در دانشکده مهندسی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران مرکزی با استفادهاز تجارب موجود در کشور حرکت به سمت این تحول ادامه یابد.

حرکت در این مسیر، دریافت سیگنال بدون خطاو نصب راحت الکترودها به معلول و انتقال فرمان به موتورهای DC وقسمت های مکانیکی می باشد که نهایتا سعی بر ساخت یک دست مصنوعی شبیه دست طبیعی و با وزن وقدرت نسبتا متناسب با دست طبیعی می باشد.

بررسی عملکرد دست طبیعی زمانی که سخن از دست مصنوعی با کنترل ارادی گفته می شود باید ابتدا محدوده کار ،توانایی ها ،پارامترها و چگونگی دست طبیعی مورد بررسی قرار گیرد.

شناختی حتی بسیار گذرا و سطحی از دست طبیعی دنیایی از آگاهی و هوشیاری را پیش رو قرار می دهد.

گیرنده های بسیار حساس که وزن، موقعیت، فشار،گرمی، سردی، سرعت … را به مراکز بالاتر گزارش می دهند به قدری پیچیده هستند که باوجود تحقیقات دامنه دار هنوز بسیاری از این گیرنده ها وحس گرها ناشناخته مانده اند.

کنترل قسمت های گوناگون بدن بخشی ویژه از مغز را به خود اختصاص می دهد، میزان وسعت اشغال مغز بستگی سیستم به پیچیدگی سیستم کنترل دارد و هر چه سیستم کنترل بکار گرفته پیچیده تر باشد وسعت بیشتر اشغال می شود.

شکل مغز مخچه بخشی از مغز است که نقش اصلی آن شرکت در اجرای ماهرانه حرکات ارادی است بعد از اراده انجام یک حرکت و ووقوع آن خطای حاصل شده در حین حرکت باعث یادگیری می شود.

این کار در قشر مخچه صورت می گیرد، از این رو مخچه می تواند در حرکات ارادی ماهرانه شرکت کند.

با اجرای یک سری فرآینداه مخچه مختصات جهان خارج وتوابع عملکرد اعضای بدن را به جهان داخلی تصویر نموده و در خود حفظ می کند.

بدین ترتیب به نوعی وارون سیستم در قشر مخچه تشکیل می گردد که قابل استفاده برای قشر حرکتی مخ و ایجاد حرکات ماهرانه می باشد.

بافت های عصبی درون قشر مخچه در تمام قسمت ای گوناگون آن یکسان می باشد.

قشر مخچه قابل تقسیم به بخشهای کوچکی به نام میکروزون است که هر کدام وظایف خاص خود را به عهده دارند.

دانشمندان در ترسیم قشر حرکتی مخچه سعی در یادگیری چگونگی مکانیزم حرکتی آن نموده اند.

ایتو در کتاب خود سعی نموده است عملکرد نرونهای داخل میکروزونها وچگونگی مکانیزم یادگیری آنها را تبیین نماید و در عین حال مخچه را بصورت یک مدار جبران کننده در مسیر «جلورو» و درکنار کنترلر اصلی حرکات ارادی تصویر نموده که براساس خطای میان حرکات اراده شده و تحقق یافته پارامترهای آن تنظیم می شوند و به همراه قشر حرکتی مخ یک سیستم کنترل تطبیقی تشکیل می دهند.

کاواتو مدلی از مخچه ارائه نموده که ذاتا محاسباتی است ومعتقد می باشد مخچه حیوانات توسط یادگیری یک مدل داخلی از دینامیک وارون موضوع مورد کنترلش بدست می آورد و با داشتن مدل وارون از سیستم می توان یک کنترل کننده ایده آل بدست آورد که یک حرکت ماهرانه را بدون نیاز به فیدبک محقق می سازد او معتقد است برای انجام یک حرکت ارادی لازم است کارهای زیر صورت بگیرد: 1-تعیین مسیر حرکت دلخواه در دستگاه مختصات بینایی 2-نگاشت دستگاه مختصات بینایی به دستگاه مختصات بدن 3-صدور دستورهای لازم برای انجام حرکت براساس نظریه کاواتو در ابتدا فرد با استفاده از فیدبک چشمی سعی می نماید خطای میان حرکت اراده شده و انجام گرفته را کاهش دهد.

از این رو در گام اول برای انجام یک حرکت مطلوب در مسیر مشخص براساس دستگاه مختصات بینایی تدوین میگردد اما ضرورت انجام چنین حرکتی زوایا وگشتاورهای خاصی را در اعضای بدن می طلبد.

از این رو نگاشتی صورت گرفته و دستگاه مختصات بینایی به مختصات بدن تبدیل می شود.

حال که معلوم می گردد اعضا باید چه زوایا وگشتاورهایی داشته باشند فرمانهای لازم توسط سیستم عصبی به ماهیچه های مربوط صادر میگردد.

اگر فرد اراده کند لیوان آب را به سوی دهان ببرد.

در ابتدا مسیر حرکت توسط چشم تعیین می شود.

برای انجام این حرکت لازم است در لحظه به لحظه زمان زوایا و گشتاورهای لازم توسط بازو،ساعد ومچ تولید گردند.

پس از مشخص شدن زوایا وگشتاورها ،فرمانهای لازم در لحظه لحظه زمان به ماهیچه های دیگر در حرکت بازو، ساعد ومچ صادر می شود.

به مرور زمان و با انجام چنین حرکتی مدل وارون در مغز شکل می گیرد.

باشکل گیری مدل وارون انجام چنین حرکاتی به صورت ماهرانه امکان پذیر می گردد.

محتوی فرمانهای صادره از سیستم عصبی به ماهیچه گویای چگونگی عملکرد آن عضو است از این رو شناخت این فرمانهای می تواند کمک موثری در شناخت عملکرد اعضا باشد.

عامل فرمان در دست سیبرنتیکی، سیگنالهای EMG عضو باقی مانده یا عضو جایگزین می باشد که در هر 2/0 ثانیه تولید می گردد.

تاخیر زمانی مربوط به متوسط تاخیر فیزیولوژیکی بدن می باشد در طی این زمان فرمان صادره از مغز به عضو مورد نظر می رسد.

فصل اول سیستم ارتباط انسان- ماشین سیستم ارتباط انسان-ماشین انسان یک سیستم پیچیده جمع آوری وپردازش اطلاعات می باشد که توسط کانالهای ارتبای متفاوتی با محیط خود ارتباط داد.

شکل (1-1) بلوک دیاگرام سیستم حرکتی طبیعی در انسان این سیستم یک مجموعه مدار بسته است که اعمال حرکتی انسان را بطور خود کار انجام میدهد.

یک فرد معلول که برای مثال دارای قطع عضو بالای آرنج می باشد پروتز جایگزین قسمت قطع شده می گردد.

در این صورت یک سیستم انسان ماشین بوجود می آید که در این سیستم بخشی از پروتز در وا قع جانشین کانالهای اطلاعاتی حذف شده می گردد.

این کانالهای جایگزین شده عمل انتقال اطلاعات وتعبیر آنها وهمچنین ایجاد وارسال فرامین کنترلی به ماشین (موتور حرکت) را انجام می دهند.

شکل (1-2) بلوک دیاگرام سیستم انسان- ماشین پروتز دست مصنوعی اولین مسئله عمده در سیستم انسان- ماشین پروتز دست، انتخاب عامل ارتباطی بین انسان وماشین می باشد که توسط این عامل ارتباطی، انسان دستورالعملهای خود را به ماشین اعمال می نماید.

این عامل ارتباطی می تواند استفاده از نوع بیومکانیکی یا بیوالکترویکی باشدکه در این پروژه درباره نوع بیومکانیکی سخنی نخواهیم گفت.

در این میان میتوان از سیگنالهای نور و الکتریک (Neuroelectric) جهت کنترل پروتزها نیازمدن عمل جراحی برای نصب الکترودها روی اعصاب است و از سوی دیگر این روش نتایجی از قبیل خرابی عصب، عدم راحت بودن و غیره را دارد و به همین دلیل مورد توجه بسیاری قرار نگرفته است ولی سیگنالهای میوالکتریکی به دلیل آسان بودن آشکاری سازی آنها از روی پوست وتوسط الکترود های سطحی به عنوان یک عامل ارتباطی بسیار مناسب در سیستم انسان- ماشین پروتزهای دست مصنوعی مطرح است.

پروتز سیبرنتیکی و مکانیکی ورباتیک پروتز سیبرنتیکی از یک استراتژی طبیعی بین اعصاب مرکزی انسان وپروتز ماشینی استفاده می کند.

لغت سیبرنتیک (cyberentic) دارای ریشه یونانی است که اولین بار توسط Norbert wiener مورد استفاده واقع شد این لغت در Webster,s Dictonary بصورت زیر معنی شده است.

Comparative study of automatic control system formed by nervous system and brain and by mechanical- electircal communication system.

در سمپوزیوم کنترل اتوماتیک در بخش طراحی پروتز در 1962، Winter به قدرت اندام مصنوعی که از یک سیگنال شناخته شده از عصب یا ماهیچه استفاده کند، اشاره کرد و در 1963 اظهار کرد این ایده وجود دارد که از یک ماهیچه قطع شده پتانسیلهای عمل را بیرون بیاوریم و آنها را به منظور ایجاد حرکت استفاده کنیم واز اینجا بود که استفاده از سیگنالهای الکترومایوگرام (EMG) سطحی برای کنترل حرکات دست مصنوعی مطرح شد.

در دهه 60 تحقیقات جداگانه ای درباره کنترل مایوالکتریک اعضا مصنوعی در شوروی- انگلستان- سوئد- ژاپن –آمریکا وکانادا آغاز شده بود.

پروتزهای مایوالکتریک شوروی در ان کشور برای موارد کلینیکی بکار می رفت و برای کاربردهای محدودی به کانادا و انگلستان نیز صادر شده بود و همچنین در نتیجه همکاری بین صنایع ارتوپدیک اتوبوک آلمان و موسسه ملی بیمه حوادث کارگران ایتالیا یک نوع پروتز مایوالکتریک برای استفاده در توانبخشی کارگران ساخته شد و این همکاری آغازی بر پیشرفت سیستمهای کنترل مایوالکتریکی بود که حداقل نیاز مانند کاربرد در معلولیت های پایین تر از بازو را در سطح کلینیکی تامین می کند.

پروتزهای مایوالکتریک نسبت به انواع کابلی ومکانیکی آنها دارای چندمین مزیت می باشد ومهمترین مسئله این استکه دراین پروتزها از تسمه (کمربند) که باعث آزار و محدودیت حرکات شخص معلول می شود استفاده نمی شود.

نکته دیگر این است که کنترل به صورت طبیعی صورت می گیرد وبا فعالیت سیستم عصبی عضلانی که شخص انجام می دهد مطابقت دارد و همچنین در پروتزهای مایوالکتریک قیود کمتری نسبت به پروتزهای عمل کننده با کابل دارد.

در مورد پروتزهای مایوالکتریکی وربات باید گفت پروتزهای مایوالکتریکی مشابه حرکات اندام طبیعی را انجام می دهد، در حالیکه ربات دارای حرکت طبیعی نیست و دارای حرکاتی خشک می باشد که زیبایی حرکات طبیعی را نمی تواند داشته باشد پروتزهای سیبرنتیک دارای عیوبی هم می باشد.

کنترل مایوالکتریک این پروتزها بدلیل پیچیدگی بسیار زیاد سیگنال الکتورمایوگرام (EMG) عموما دشوار است و بخاطر مکانیزم کنترل ووجود باطری سبب می شود که این نوع پروتز سنگین تر از انواع دیگر باشد و باطری موجود در این پروتز می باید شارژ یا تعویض گردد والبته این پروتز معمولا گرانتر از سایر انواع آن می باشد برای ربات هنوز تعریف قانع کننده ای ارائه نشده است ولی شاید بتوان گفت عمل کننده ای است که دارای چند درجه آزادی است و قابلیت آن را داردکه برای یک سلسله وظایف خاص برنامه ریزی شود.

ایده هایی که به توسعه روبات ها منجر گشته است غالبا در جهت حل مشکلات مربوط به ساختن اعضای مصنوعی برای انسان نیز بکار گرفته می شود وعکس این مطالب نیز صحت دارد و تحقیقاتی که در زمینه ساخت این اعضا صورت می گیرد در زمینهای روباتی نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

اگر چه دنیا در حال حاضر به سمت ساختن ربات های هوشمند پیش می رود ولی باید اعتراف کرد تا ساختن انسانهای ماشینی کامل که بتواند راه بروند، حرف بزنند و … فاصله زیادی وجود دارد بطور خلاصه دست روباتیک وسیله ای است که با داشتن چند درجه آزادی، با بازوئی متشکل از چند مفصل و دستی مشتمل بر چندین انگشت حرکت کند و در انجام حرکت فیدبکهایی مانند نیروی بار –تغییر مکان- سرعت-فشار نگهداری اجسام و غیره متکی باشد این دست فرمان خود را از یک واحد پردازش مرکزی که شامل حافظه و دستورالعلمهای خاص برای استفاده از اطلاعات فیدبکی صورت می گیرد دریافت می کند.

در حالت ایده آل این دست گاهی قادر خواهد بود حرکاتی پیچیده تر از دست سیبرنتیکی انجام دهد.

دست روباتیک جزیی از یک سیستم است که بستگی به ساده یا پیچده بودن آن، الگوریتم های مختلف کنترل همراه با کامپیوترهای خاص بکار رفته در آن می توان آن را به نسلهای مختلف تقسیم کرد.

مثلا دست مصنوعی را که برای رنگ آمیزی قطعات دراطاقک رنگ یا کارخانه در نظر گرفته شده است را می توان از نسل اول دانست و دست مصنوعی را که به چشم تلویزیونی و مغز الکترونیکی با قابلیت یادگیری و تصمیم گیری های پیچیده وصل شده است را می توان نسل جدید دانست.

فی مابین این دو نسل انواع دیگر با قابلیت های مختلف وجود دارد.

بطور کلی در دست رباتیک الزامی به تقلید وشبیه سازی از دست انسان وجود نداشته و فرمانهای حرکت آن از یک سیستم الکترونیکی صادر می شود.

این فرمان محصول ترکیب اطلاعات فیدبکی روبات از محیط ودستورالعملها و اطلاعات حافظه اش می باشد.

شکل (1-3) حرکتهای اصلی واولیه یک دست کامل دست سیبرنتیکی به دستی گفته می شود که بتوان عمل دست سالم را در شخص معلوم انجام دهد و برای آنکه این نقش واضح تربیان گردد بطور مختصر به مکانیزمهای احتمالی در کنترل حرکت دست اشاره می گردد.

دست را می توان یک سیستم مکانیکی مشتمل بر جرم، فنر و اصطکاک دانست که در اثر نیروی حاصله از انقباض عضلات تغییر مکان می دهد.

در هر حرکت دست عضلات متعددی شرکت دارند و برای آنکه حرکت با نرمش و سرعت لازم بدون نوسانات و خطا انجام گیرد لازم است اولا فعالیت انقباضی هر عضه به سبک خاصی برنامه ریزی شود و ثانیا فعالیت انقباضی عضلات دست اندکار آن حرکت با هم هماهنگ باشند خواص فنری و اصطکاکی عضلات فقط محصول خواص مکانیکی آنان نبوده بلکه بطور فعالانه بوسیله ایستگاههای حرکتی مانند نخاعی یا بالاتر تا کورتکس حرکتی کنترل می شود.

نقش این ایستگاههای حرکتی ایجاد فرمان مناسبی در عصب منتهی به عضله است.

این فرمان از ترکیب اطلاعات مربوط به حرکت مورد نظر و اطلاعات فیدبکی مربوط به وضعیت مکانی دست و وضعیت نیرو و غیره بدست می آید.

فیدبکهای مهم دردست سالم که در انجام حرکت تاثیر کلی دارند عبارتند از: الف-فیدبک وضعیت طول عضله وسرعت تغییرات آن.

ب-فیدبک نیروی کششی عضله.

ج-فیدبک اطلاعات مربوط به زوایای مفاصل.

د-فیدبکهای دیگر مانند لامسه یا بینایی نیز در ایجاد فرمان حرکت وایجاد هماهنگی فعالیت عضلات موثرند.

اگر دست سیرنتیکی بخواهد کار دست طبیعی را بنحو احسن در سطح ناخودآگاه شخص معلول انجام دهد لازم است فیدبکهای قطع شده فوق جبران گردند یعنی بنحو مناسبی اطلاعات مذکور در فیدبکهای مهم و با همان سرعت دست طبیعی به مراکز حرکتی دست سیبرنتیک برسد.

شکل (1-5) بعلاوه در دست سیبرنتیکی فرمانهای حرکت باید یا از عضو، یا عصب و یا از نخاع یا در عالیترین حد از مراکز بالای حرکتی مانن مخچه و کورتکس حرکتی اخذ شوند.

این فرمانها پس از پردازش و ترکیب با اطلاعات فیدبکی به سرموتورهایی که نقش عضله را دارند ایجاد حرکت می کنند.بطور کلی وجود دو فیلد دست سیبرنتیکی را از دست رباتیک متمایز می کند.

اطلاعات فیدبکی باید از مسیری سریعتر از مسیر بینایی به مغز برسند.

چون باید کاربرد دست سیبرنتیکی بوسیله شخص معلول، مستلزم کوشش خاص نباشد و در سطح ناخودآگاه عمل کند لازم است فرمانهای حرکت در دست سالم بررسی شده ونحوه کارآن را با دست سیبرنتیکی تطبیق داد.

شکل (1-6) صورت کلی ایده سیبرنتیک سطوح معلولیت اندام بالایی معلولیت های سطح بالا نیاز به پروتزهای پیچیده و گران را طلب می کند و در پروتزهای پچیده مشکلات استفاده از آنها زیاد است بطور کلی سطوح معلولیت در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل (1-7) تعاریف واستاندارد سطوح معلولیت دست انسان منفصل شدن شانه (shoulder Disarticalatron) که به اختصار با SD بیان می گرددو در صورتی به معلول گفته می شود که تمام بازو (Arm) و دست (hand) از بدن جدا شود ( در اصطلاح آناتومی منظور از بازو، از شانه تا مچ ومنظور از دست،‌از مچ تا انتهای انگشتان است).

معلولیت کوتاه بالای آرنج(Above- Elbow) یا AE ا زجدا شدن دست وبازو از محل نشان داده در شکل ناشی می شود.

معلولیت بلند AE و منفصل شدن بازو موقعی بوجود می آید که چرخش دست و اعمال حرکتی بازو ومچ از بین می روند ولی حرکات شانه باقی می مانند.

معلولیت کوتاه زیر آرنج (Below-Elbow) یا BE سبب از بین رفتن حرکات دست، ساعد ومچ (Forearm) می شود و حرکات جمع کردن بازو ضعیف تر می شود.

معلولیت بلند زیر بازو زمانی است حرکات دست ومچ از بین رفته وحرکات چرخش ساعد ضعیف شده اند، در حالیکه اعمال حرکتی بازو بخوبی صورت می گیرد.

منفصل شدن مچ (wrist Disatriculation) یا ws موقعی است که تمام دست جدا می شود واعمال مچ بکلی از بین می رود.

برای سطوح معلولیت، تعاریف دیگری نیز شده است که ولی بطور کلی معلولین را به دو دسته تقسیم می کنند.

معلولین زیرآرنج (Below- Elow Ampatee) معلولین بالای آرنج (Above- Elobow Amputee) فصل دوم سیر تکاملی دست مصنوعی دست های مکانیکی: پیش از جنگ جهانی دوم بعلت اینکه قطع عضو بالای آرنج به تعداد زیادی و جود داشت پروتزی ساخته شدکه با بدن حرکت کند.

این پروتز جانشین ساعد وآرنج می شد.

بالا تنه و کابلهایی که دور شانه قرار می گرفت موجب محکم شدن قسمتهایی مصنوعی در محل عضو قطع شده می گردید.

شکل(2-1) دست های اولیه اگر قطع عضو زیر آرنج بود با حرکت شانه جنگک قلاب شکل انتهای دست مصنوعی باز و بسته یم شد و اگر قطع عضو بالای آرنج بود حرکت مشابهی باعث خم و راست کردن آرنج می گردید.

شکل (2-2) دست مکانیکی دست فوق یک نوع دست مکانیکی است در دستهای مکانیکی حرکت در یک مفصل یا چند مفصل توسط کابل صورت می گیرد در طول تحول این دستها گاهی از 2 یا 4 و حتی 10 کابل که به قسمتهای تنه و شانه متصل است استفاده می گردیده است.

حرکت گردن وتنه در مفصل خاصی حرکت مصنوعی را ایجاد می کند یا اینکه رابطه بین بازکردن پنجه و آرنج را برقرار نموده بنحوی که وقتی آرنج صاف می شود (extension) پنجه کاملا باز می گردد ووقتی که پنجه باز شده وچیزی را در خود گرفت و آرنج خم شد، تا زمانی که آرنج خم باشد (flextion) جسم در پنجه حفظ می گردد.

بایستی توجه داشت که روی دستهای مکانیکی در ناحیه پنجه امکان نصب قاشق- چنگال- چاقو- چنگک وغیره وجود داشت.

از هنر وافتخار پروتزسازان طراحی های مختلف ابزار حرفه است که بنابر حرفه فرد معلول ساخته می شود از جمله این ابزارها میتوان داس- تبر وبیل و غیره را نام برد.این ابزارها یا بصورت ثابت ویا بصورت وجود حرکت در آن وسیله وپروتز قابل نصب هستند.

در مورد مچ مکانیکی اطلاعات بسیار کمی وجود دارد حرکت مچ در ماقبل حرکات مهم دیگری چون حرکت باز و بسته شدن پنجه (grasping) وحرکت ساعد از اهمیت کمتری برخوردار است البته در سال 1844با دو کابل این حرکت را ایجاد کرده اند.

حرکت باز وبسته شدن مچ (pronation & supination) نقش مهمی در زندگی انسان دارند این حرکات اولین بار در سال 1917 در سیستمهای مکانیکی بکار رفت.

حرکت خم و صاف شدن مفصل آرنج نیز توسط کابل انجام پذیر بوده وامروزه نیز بکار می رود.

2-دست نیوماتیکی: اولین پروتز پرقدرت، دست نیوماتیکی بودکه اختراع آن در کمال رد سال 1915 به ثبت رسید.

گاز co2 در یک یا چند مزخن ذخیره شده و حرکت مکانیکی اعضا سالم باقیمانده موجب ‎آزاد شدن گاز شده و به اهرم طراحی شده اعمال نیرو می نماید که این نیرو خود، کار از پیش تعریف شده ای را انجام میدهد این پروتز برای پنجه، آرنج وشانه مورد استفاده قرار می گرفت و اشکالات عمده آن عبارتند از: 1-قوطیهای گاز گران قیمت و نگهداری وتولید آنها در برخی کشورهای مشکل بود.

2-وزن پروتز بکار رفته بخاطر جنس قوطی (فولاد) سنگین بود.

3-برای هر فرد چندین قوطی گاز لازم بودکه می بایستی حمل شود.

اعضا پرقدرت Powered prostheses گر چه مابین جنگهای جهانی استفاده نشده اند، اما دستهای با گاز فشرده Co2 توسط weil اوایل سال 1948 بکار می رفت.

شرکت اتوبوک حدود 1962 در این زمینه شروع به فعالیت نمودقسمت از موفقیت مهم آلمان در زمینه ساخت پروتز بخاطر کارخستگی ناپذیر آنها برای پیشبرد کار در همه زمینه های اندام مصنوعی بود.

شکل (2-3) دست نیوماتیکی 3-دست الکترومغناطیسی: اولین دست الکتریکی است که نیروی الکترومغناطیسی از طریق آهنربا تولید شده وبا تغییر مکان میله فلزی بالای آن توسط حرکت مکانیکی اعضا سالم بدن، چرخ دنده های مورب (مخروطی شکل ) انگشتان را به حرکت در می آورد.

این نیروی الکترو مغناطیسی ازطریق یک باطری تامین می شود.

کار برروی این پروتز در همان مراحل اولیه پروتز به چند علت متوقف گردید که یکی وزن و دیگری اینکه هر چهار انگشت با هم یک مفصل حرکتی داشتند وانگشت وشست هیچگونه حرکتی نداشت.

شکل (2-4) اولین دست الکتریکی – مغناطیسی 4-دست مایوالکتریکی (دست ریتر RreTer): اولین پروتز مایوالکتریکی برای قطع عضو زیر آرنج، در اوایل دهه 1940 توسط رین هولد ریتر Reinhold Reiter فیزیک دانی که با سازمان صلیب سرخ کار می کرد ساخته شد.

او نتیجه کارها وفعالیت خود را در سال 1948 بچاپ رسانید.

دست ریتر دارای الکترودهایی بود که روی بازو قرار می گرفتند البته این دست بعلت اینکه سنگین و بزرگ بود و با باطری کار نمی کرد، دست عملی نبود.

همچنین سیستم با لامپ خلا کار می کرد که دارای تلفات الکتریکی زیادی بود.

در دست ریتر چنانچه ترانزیستور بجای لامپ قرار می گرفت بطور وضوع به دستی که روسها در کنفرانس بین المللی فدراسیون کنترل اتوماتیک (international Federation of Automatic control) که در مسکو رد سال 1960 برگزار شد، ارائه دادند، میرسید.

کنترل مایوالکتریکی در انگلستان ، شوروی و برخی نقاط دیگر دنیا دردهه 1950 بصورت جدی دنبال شد.

البته شرایط اقتصادی آلمان بعد از جنگ جهانی دوم باعث شدکه کاروی کنترل مایوالکتریکی دست مصنوعی متوقف شود.

اولین پروتز دست مایوالکتریکی که شاید حدود 1943 بکار گرفته شده طوری طراحی شده که بوسیله یک تقویت کننده لامپ خلا کنترل شده و قابل حمل نمی باشد.

عملکرد این است در واقع نظیر دست اصلاح شده (Hiifner) با کنترل الکترومغناطیسی است که فقط دارای حرکت باز کردن و بستن پنجه (grasping) می باشد.

جالب است ذکر شود نتایج اولین آزمایشهای دست مصنوعی که با کنترل مایوالکتریکی در سال 1948 بچاپ رسید همزمان با اعلام تکمیل ترازیستور بود و در واقع کنترل عملی پروتز مایوالکتریکی نیاز به ترانزیستور، و اصلاحات بعدی آن را داشت.

اگر چه ریتر (Reiter) ایده کنترل مایوالکتریکی را در اوایل دهه 1940 ارائه نمود، دیگران نیز هر کدام به تنهایی ایده های مشابهی داشتند پروفسور نوربرت وینر (Norbert Weiner) از انستیتوی تکنولوژی ماساچوست همین مفهوم را در سال 1947پیشنهاد نمود و برگ (Berger) وهوپرت (Huppert) این ایده را در سال 1952 اعلام کردند.

بتیه (Battye) ،‌ناتیینگل (Nightingale) و ویلیس(Whillis) در بیمارستان گای لندن ، سیستم کنترل مایوالکرتیکی را برای پروتز پرقدرت (powered prosthses) در سال 1955 ساختند که سالها تصور می شود اولین کار در این رابطه است.

البته باید توجه داشت ک از اینکه آنها اولین گروهی نبودند که دراین زمینه فعالیت کرده اند، از اهمیت کار آنها نمی کاست.

دانشمندان روسی اولین کسانی بودند که از ترانزیستور در پروتز کنترل شده بوسیله سیگنال مایوالکتریک استفاده کرده اند.

دست روسی اولین نوع مایوالکتریکی نیمه عملی بود که کلینیکی مورد استفاده قرار می گرفت و با گواهینامه رسمی در بریتانیا و کانادا به بازار عرضه شد.

در آمریکا سال 1945 نقطه برگشت به اندامهای مصنوعی بود ودرژانویه این سال پرسنل ارتش، جراحان، متخصصان اندامهای مصنوعی و مهندسین درشیکاگو پیرامون اینکه در مورد اندامهای مصنوعی چه بایستی انجام شود با یکدیگر ملاقات داشتند واین جلسات باعث شد که کمیته (CPRO The committee on proshthetics Research and Development) تشکیل شود و بمدت 25 سال کارها را در این زمینه دنبال نماید.

سالهای پیش از جنگ پیشرفتهای بسیاری در زمینه اندامهای مصنوعی انجام شده بود هر چند تکمیل پروتز پرقدرت بسیار کند صورت گرفت.

شکل (2-5) اولین دست میوالکتریکی (با کنترل مغناطیسی) 5-دست وادوز Vaduz: (Vaduz مرکز Leichtehstein آلمان است) بنظر می رسد که دست وادوز که پیش از جنگ تکمیل شد جلوتر از زمان خود پیش رفته و شبیه دستهای الکتریکی امروزی بود.

گروهی آلمانی به سرپرستی دکتر ادموندویلمز Dr.Edmund Wilms در وادوز بعد از جنگ دوم جهانی جمع شدند تا روی تکمیل وتوسعه پروتز دست مصنوعی کار کنند.

آنها می خواستند دستی بسازند که با حرکت عضله کنترل شود و با منبع تغذیه پرتابل عمل نماید.

این دست شامل فیدبک موقعیت و فیدبک نیرو بود که به تزانسیوسر داخلی متصل و دست بطور ارادی بسته می شد و با حرکت عضله وبصورت سرومکانیسم موقعیت عمل می کرد وشامل یک مکانسیم شیفت دادن و یک مکانیسم قطع جریان بود.

دست وادوز دارای مکانیزم شیفت دندانه بوده تا هم نیرو ی گرفتن اشیا را از موتور الکتریکی بدست آورد وهم سرعت مناسبی برای انگشتان ایجاد نماید.

این قاعده ای است که در دستای اتوبوک امروزی نیز استفاده شده است و این دست دارای کنترل کننده ای است که یک کیسه نیوماتیکی داخل سوکت حرکت عضله ار با فشار نیوماتیکی تشخیص داده و این بنوبه خود موجب بکار انداختن کلید سرومکانیزم موقعیت می گردد و پنجه الکتریکی را بطور ارادی جمع می نمود که این قاعده همان مفهوم تحریک عضله فیزیولوژیکی تعریف شده توسط (Simpson) است.