دانلود مقاله 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 مؤلفه 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 مقطع 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 پروتز های کنترل مبتنی بر EMG جاری را کاهش می دهد).

بویژه، در این مقاله سه موضوع اصلی مورد بحث قرار خواهد گرفت: طراحی بهینه سازی پروتز های 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 مؤلفه های اصلی او می باشد. لذا توسعه یک اندام مصنوعی سیبرنتیک، شبیه سازی توانایی های جسی – حرکتای تا حد ممکن و نظیر دست طبیعی به عنوان موفقیت تحقیق روبان شبه انسانی است.

دست انسانم نمونه معجره آسایی از چگونگی مکانیسم پیچیده ای است که اجرا می شود و قادر به درک امور پیجیده و مفید با استفاده از یک ترکیب مؤثر مکانیسم ها، احساس، عملکردهای فعال سازی و کنترل می باشد ]2 و 1[. دست انسان نه فقط یک ابزار مؤثر 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 بوطر منظم اسیتفاده نمی برند ]4 و 3[. عوال 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 چهرچوب 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 هروس 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 اجازهع مدور شدن کافی اشیاء را نمی دهعند، 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 تعغداد 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 یم دهند. بیشتر عملکردهای درک انسان را بدون افزودن پیچیدگی و مکانیکی و کنترلی را می دهد. این مشخصه بطرز خاصی در دست های مصنوعی مهم هستمد، 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، مبانی، 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 کگردن شست (گیرندگی و درک). انگشتان نشانه و میانی همسان هستند (هر دو دارای سه فلانج 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 رتا 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 فنرهیا 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 مار 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 زیر مورد نیاز باشند، فنرهای کشیی به عنوان یک ارتباط محکم عمل می کنند و تمام نیرو از غلتک به انگشتان منتقل می شود، این مهمترین مزیت استفاده از فنرهای کشیی 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 ش.د. هدف از طراحی حسگر عباتست از خلق یک دست مصنوهی 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 آزمایشان را برای پژوهش در سهولت فراهم سازی باخوردهای شناختی در خصوص گرفتن اشیاء به مقطع 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.