لزوم افزودن کنترل حلقه بسته و پاسخ به اغتشاشهای محیطی در طراحی اسکلتهای بیرونی

لزوم افزودن کنترل حلقه بسته و پاسخ به اغتشاشهای محیطی در طراحی اسکلتهای بیرونی

در سال‌های اخیر، تعداد متنوعی اسکلت خارجی طراحی شده است. برخی از آن‌ها به شما کمک می‌کنند که کارهای سنگین انجام دهید. بعضی به راه رفتن افراد ناتوان کمک می‌کنند. در این میان، نوعی اسکلت‌ خارجی تحقیقاتی ساخته شده است که به زانوی شما به‌آرامی ضربه می‌زند و منجر به لغزیدن شما می‌شود. این سوال پیش می‌آید چرا کسی اسکلت خارجی می‌سازد که سبب لغزیدن و افتادن کاربر آن شود؟ مقاله‌ای فرآیند طراحی نوعی از سامانه پاسخ خودکار [۱] را مورد مطالعه قرار داده است و پیرامون واکنش‌های از پیش برنامه‌ریزی‌شده در برابر محرک‌های خارجی براساس واکنش‌های یک انسان سالم در شرایط یکسان تحقیق کرده است. مقاله در مورد یک اسکلت‌خارجی که به کاربر آن پشت‌پا می‌زند صحبت می‌کند. با این‌که، مقاله موضوعی از فناوری اسکلت خارجی را مورد بحث قرار داده که در مسیر پژوهش‌های معمول این شاخه نیست ولی موضوع آن ارزش مطرح‌کردن و بررسی را دارد.

هنگامی‌که اغلب افراد در مورد اسکلت خارجی صحبت می‌کنند، به موارد جالب و مثبت آن اشاره می‌کنند و فیلم مرد آهنی، انیمیشن گاندام (Gundam) و لباس‌های خاص فیلم انقلاب‌های ماتریکس را مثال می‌زنند. اما همه این فیلم‌ها که می‌خواهند انسان‌های عادی را به قهرمانان تبدیل و توانایی آن‌ها را چندین برابر کنند، تخیلی هستند و تنها برخی نمونه‌های این اسکلت‌های خارجی با قابلیت‌های بسیارکمتر در واقعیت وجود دارند. گروهی نیز مانند شرکت‌های Ekso Bionics و Rex Bionics هستند که برای کمک به افراد ناتوان، اسکلت خارجی می‌سازند. اما به‌نظر می‌رسد همواره پیرامون نسبت اندازه به قدرت سروموتورها، ظرفیت باتری‌ها و دیگر بخش‌های مربوط به دستگاه تمرکز می‌شود یا در بهترین حالت، موانع نرم‌افزاری که در هنگام راه رفتن در خط مستقیم با ربات پوشیدنی روبرو می‌شویم، مورد بررسی قرار می‌گیرد. پژوهش درباره همه موضوعات بالا مهم است. اما اگر بخواهیم یکی از جنبه‌های اسکلت خارجی را تعیین کنیم که اسکلت خارجی را به یک دستگاه مورد قبول برای عموم افراد تبدیل کند، هماهنگی اسکلت است. هماهنگی به این معنا است که با پوشیدن اسکلت خارجی، اسکلت طبیعی به‌نظر برسد و گام‌هایی طبیعی‌ برداشته شود. اسکلت خارجی باید موردپسند کاربر، پایدار و سازگار با محیط اطراف باشد و همچنین سنگین و دست‌وپاگیر نباشد. این مطلب در زیر بیشتر توضیح داده خواهد شد.

رابط بین انسان و دستگاه موضوع بااهمیتی است. در مبحث اسکلت خارجی برای رسیدن به کنترل و حرکت طبیعی، کنترل حلقه-بسته در مقایسه با کنترل حلقه-باز مطلوب‌تر است [۲]. اگر همه فعالیت‌هایی که با اسکلت خارجی انجام می‌دهید مبتنی بر مراحل از پیش تعیین شده (کنترل حلقه-باز) باشد، هنگامی که روی قطعه‌ای از یخ راه بروید به‌راحتی پایتان می‌لغزد و می‌افتید. نخست اسکلت بیرونی و کاربر باید بدانند چه زمانی و چگونه در برابر لغزش‌ها و سکندری خوردن‌ها واکنش نشان دهند [۳]. کنترل حلقه-بسته این مشکل را حل می‌کند. ارتباط بین محیط، کاربر و اسکلت خارجی، نوع حرکت‌ها را معین می‌کند. سه نوع ارتباط در زیر فهرست شده ‌است. کنترل رایانه‌ای و نرم‌افزاری در هر سه بخش ارتباط وجود دارد.

• ارتباط میان کاربر و اسکلت خارجی (چگونگی کار با اسکلت خارجی)
• ارتباط کاربر با محیط پیرامون (چگونگی کار با اسکلت خارجی در شرایط بارانی در مقابل شرایط آفتابی)
• ارتباط اسکلت خارجی و محیط پیرامون (مبتنی بر واکنش‌های غیرارادی و بازخوردها)

در حالی که پژوهشگران آمریکا و آسیا به ساخت اسکلت‌های خارجی مشغول هستند، آزمایشگاه‌های اتحادیه اروپا، بر اصلاح ارتباط کاربر با اسکلت‌ خارجی تمرکز دارند. بدون اصلاح، اسکلت به‌درستی کار نمی‌کند. البته شاید اسکلت به‌خوبی کار کند ولی در شرایطی مثل لغزش قابل تنظیم نخواهد بود. اگر در دو نوع ارتباط اخیر مطرح‌شده، اسکلت خارجی به پختگی نرسد حتی اسکلت‌های خارجی پیشرفته نیز برای کاربران، سنگین به نظر می‌رسد و هیچگاه کاربر در آن احساس راحتی ندارد. بدون کنترل حلقه-بسته در ارتباط میان کاربر و محیط و ارتباط میان اسکلت خارجی و محیط، باید بر نحوه کنترل اسکلت خارجی وقت و انرژی بیشتری صرف کرد که به معنی حرکت آهسته‌تر و احتیاط بیشتر کاربر است. مقاله «kick the user in the knee» و دیگر مقاله‌های مرتبط، درباره ارتباط اسکلت بیرونی با محیط تحقیق می‌کنند و برای طراحی بازخورد خودکار اسکلت ‌خارجی تلاش می‌کنند. راه رفتن در خط مستقیم ساده است تا زمانی که مانعی مانند قطعه یخ سر راه شما نباشد. اگر پایتان روی قطعه‌ای یخ برود، شما برای کنترل وضعیت درباره واکنش‌های هرکدام از اعضای بدن ارادی فکر نمی‌کنید، بلکه بدن و مغز شما به صورت غیرارادی بازخوردهای مناسبی را که در حافظه ماهیچه‌های شما ذخیره شده برای اصلاح وضعیت به‌وجودآمده به‌کار می‌گیرند. این مبحث در مقاله «Muscle memory» به طور کامل توضیح داده شده است. این دقیقاً همان ویژگی است که همه ماهیچه‌ها و اندام ما به صورت روزمره در حال انجام آن هستند. وقتی شما تلوتلو می‌خورید این واکنش‌های غیرارادی باید سریع به وضعیت پاسخ دهند. اما اگر فردی از کمر به پایین فلج باشد، چنین واکنش‌های غیرارادی وجود ندارد و باید عملکرد اسکلت بیرونی به‌گونه‌ای باشد که بازخوردهای مناسب را شبیه‌سازی کند. اگرچه هیچ‌کدام از این اقدام‌ها باعث نمی‌شود فرد ناتوان با پوشیدن اسکلت خارجی شرایط محیط را حس کند. بنابراین چنین فردی به بسیاری از محرک‌های موجود در محیط توجهی ندارد و شرایط مانند رانندگی با چشم نابینا در برف و بوران است.

حالت بدتر را درنظر بگیرید که فردی که سالم است، یک اسکلت خارجی پایین‌تنه بپوشد. او همه تغییرات مسیر حرکت مثل لغزش یا ازدست دادن تعادل را کامل حس می‌کند و کاربر قادر به کنترل وضعیت است ولی اگر اسکلت بیرونی چنین توانایی را نداشته باشد، این شرایط احتمال افتادن فرد را افزایش می‌دهد. بیشتر اوقات برای افراد دارای اسکلت خارجی، لغزیدن باعث زمین‌خوردن می‌شود. به همین علت است که اسکلت‌های خارجی بدون موتور یا تنها با یک موتور در قسمت پا موفق‌تر عمل می‌کنند ([۶] و [۷]). ولی ممکن است اسکلت‌های خارجی نوین به بازیابی تعادل کاربران کمک کنند.

اسکلت‌های خارجی کاربردی هستند ولی بهینه نیستند. برای این‌که کاربرد اسکلت‌های خارجی عمومی‌تر شود نیاز است که حتماً بهینه شوند. بدون بهینه‌ کردن اسکلت خارجی، دستگاه اسکلت دست‌وپاگیر خواهد بود. هم‌اکنون فناوری اسکلت خارجی درحال گسترش است ولی اصلاح و بهینه کردن آن به تازگی آغاز شده ‌است.

هنگامی‌که سامانه‌های کنترل حلقه-بسته برای هر سه نوع ارتباط بیان‌شده طراحی شود، حرکت‌ها با ربات پوشیدنی طبیعی‌تر خواهند بود. وقتی کاربر سطح زمین را حس کند، واکنش بهتری نشان خواهد داد و سیگنال‌های مفیدتری به اسکلت خارجی ارسال خواهد کرد و هنگام راه رفتن روی زمین‌های ناهموار و هنگام لغزش بازیابی بهتری را ایجاد می‌کند. گروه طراح اسکلت خارجی ضربه زننده به زانوی کاربر دقیقاً همین هدف را دنبال می‌کند و واکنش‌های افراد را به ضربه وارد شده به پا اندازه‌گیری می‌کند. اطلاعات مربوط به واکنش‌های غیرارادی افراد به ضربه زانو و لغزش جمع‌آوری می‌شود و یک شبیه‌ساز طراحی می‌شود که به ضربه مانند واکنش انسان پاسخ می‌دهد. اطلاعات شبیه‌ساز به اسکلت خارجی منتقل خواهد شد. این روند به افراد ناتوان که پای خود را از دست داده‌اند کمک خواهد کرد. در نهایت همه‌چیز قابل برنامه‌ریزی نیست بنابراین توانمندسازی کاربر نقش مهمی ایفا می‌کند. در این مسیر فرض می‌شود که ساختار فیزیکی اسکلت خارجی درجه آزادی کافی و شکل مناسبی برای تکمیل پویایی بدن انسان داشته باشد.

مراجع:

[۱] Article about creating an automatic response system in exoskeletons (the main subject of this post): http://gizmodo.com/scientists-have-created-an-exoskeleton-that-kicks-its-w-1758334296 ETH Zurich and National Center of Competence in Research Robotics

[۲] Book: Wearable Robots: Biomechatronic Exoskeletons, edited by Jose L. Pons, chapter 4, pg 88, There is a reason why this book is number one on our list of Books on Exoskeletons and Wearable Robotics

[۳] Definition for haptic feedback: http://www.mobileburn.com/definition.jsp?term=haptic+feedback

[۴] Another example of research developing this sort of reflex development in robots: http://www.extremetech.com/extreme/212010-when-people-can-feel-robot-movement-they-can-teach-human-reflexes

[۵] Muscle memory: http://www.wisegeek.org/what-is-muscle-memory.htm

[۶] Mind Walker EU Project, https://mindwalker-project.eu Including Balance Control to a Brain Machine Interface

[۷] Balance Project http://www.balance-fp7.eu/news.php Learning about the fundamentals by using exoskeletons and robots that purposely unbalance the user.

منبع: Exoskeletonreport

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *