بهبود کنترل پروتزها و اسکلتهای بیرونی با یک الگوریتم ردیابی آهنربا

گروهی از پژوهشگران گروه مکاترونیک‌ ‌MIT الگوریتمی ابداع کرده‌اند که نوید بهبود ردیابی همزمان چندین آهنربا را می‌دهد. فناوری ردیابی آهنربا پیامدهای قابل توجهی برای بهبود کنترل پروتزها و اسکلت‌های بیرونی و بهبود تعامل با دستگاه‌های واقعیت افزوده و واقعیت مجازی دارد. با مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی همراه باشید.

بهبود کنترل پروتزها و اسکلتهای بیرونی با یک الگوریتم ردیابی آهنربا

دانشجوی کارشناسی ارشد کامرون تیلور، پژوهشگر برجسته این رویکرد در گروه بیومکاترونیک، می‌گوید که این الگوریتم مدت زمان لازم برای حسگرها برای تعیین موقعیت و جهت گیری آهنرباهای تعبیه شده در بدن، چوب، سرامیک و سایر مواد را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد.

Hugh Herr، رئیس گروه بیومکاترونیک می‌گوید: «من سالهاست که رویای کمترین تهاجم را برای کنترل پروتزها دارم. اما روش‌های پیشین برای ردیابی حرکت بافت در زمان واقعی با پهنای باند بالا خیلی کند بود».

ردیابی آنی

سالها است که پروتزها برای تفسیر پیام‌های سیستم عصبی محیطی کاربر، به الکترومیوگرافی متکی هستند. الکترودهای متصل به پوست در مجاورت عضلات تکانه‌هایی را که توسط مغز تحویل داده می‌شود اندازه می‌گیرند. توانایی الکترودها برای حس کردن سیگنال‌هایی که با گذشت زمان تغییر می‌کنند و همچنین تخمین طول و سرعت حرکت عضلات محدود است و پوشیدن دستگاه‌ها می‌تواند ناراحت کننده باشد.

دانشمندان مدتهاست که سعی می‌کنند روشی برای استفاده از آهن‌ربا پیدا کنند، که می‌تواند به طور نامحدود در بدن تعبیه شود و برای کنترل رباتیک با سرعت بالا بکار رود. اما آنها به یک مانع بزرگ برخوردند: خیلی طول کشید تا رایانه‌ها دقیقاً مشخص کنند آهنرباها کجا هستند و واکنش نشان دهند.

تیلور گفت: «نرم‌افزاری نیاز است که حدس بزند آهنرباها کجا هستند و چه جهتی دارند. نرم افزار حدس می‌زند که آهنربا کجاست و میدان مغناطیسی حاصل از آن را با میدان مغناطیسی مشاهده شده مقایسه می‌کند. هنگامی که اشتباه بود، دوباره و دوباره حدس می‌زند تا زمانی که موقعیت دقیق آهنربا مشخص شود».

این فرآیند، که تیلور با یک بازی Hot and Cold مقایسه می‌کند، به محاسبه بسیاری نیاز دارد و این موجب تأخیر در حرکت می‌شود. Herr می‌گوید: «سامانه‌های کنترل رباتیک به سرعت بسیار بالایی از نظر واکنش پذیری نیاز دارند. اگر زمان میان سنجش و فعال‌سازی توسط یک سامانه خیلی طول بکشد، ممکن است در دستگاه بی‌ثباتی رخ دهد».

برای کاهش زمان تأخیر در ردیابی آهنربا، یک رایانه باید پیش از حدس زدن در مورد مکان آهنربا سریع تشخیص دهد که کدام جهت «گرمترین» بوده است. تیلور یک روز در خانه دراز کشیده بود و با تعجب درباره این مشکل فکر می‌کرد آن زمان بود که فهمید می‌تواند با استفاده از روش‌های ساده برنامه‌نویسی، گرمترین جهت را شناسایی کند. او میگوید: «من بلافاصله فهمیدم که این امکانپذیر و بسیار هیجان انگیز است».

روش کار

پس از تأیید این روش، تیلور و اعضای گروه پژوهشی او مجبور شدند مشکل دیگری را که مشکل ردیابی آهنربا است، حل کنند: اختلال ناشی از میدان مغناطیسی زمین. روش‌های سنتی از بین بردن این تداخل برای سامانه جمع و جور و متحرک مورد نیاز پروتزها و اسکلت‌های بیرونی کاربردی نبود. این گروه با برنامه‌نویسی رایانه‌ای خود به یک راهکار زیبا رسیدند تا بتوانند میدان مغناطیسی زمین را جستجو کنند، گویی که این یک سیگنال مغناطیسی دیگر است.

آنها سپس الگوریتم خود را با استفاده از سامانه‌ای با آرایه‌ای از مغناطیس سنج‌ها ردیابی کردند که چهار آهنربای کوچک و مروارید مانند دارد. این آزمایش نشان داد که، در مقایسه با سامانه‌های پیشرفته ردیابی آهنربا، الگوریتم جدید حداکثر پهنای باند را در هنگام استفاده برای ردیابی همزمان یک، دو، سه و به ترتیب چهار آهنربا ۳۳ درصد، ۵۲۵ درصد، ۶۳۵ درصد و ۷۷۳ درصد افزایش می‌دهد.

تیلور تأکید کرد که تعداد محدودی از پژوهشگران دیگر از این روش برای ردیابی استفاده کرده‌اند، اما ردیابی چند آهنربای متحرک را در زمان واقعی نشان ندادند. او می‌گوید: «این نخستین بار است که گروهی این روش را برای ردیابی آنی چندین آهنربای دائم به طور همزمان نشان می‌دهد. همه پیاده‌سازی‌ها در گذشته از زبان‌های رایانه‌ای سطح بالا و بدون روش‌هایی برای افزایش سرعت استفاده کردند».

با الگوریتم جدید می‌توان هدف مغناطیسی را با سرعت و در زمان واقعی ردیابی کرد و نیاز به یک آرایه مغناطیس‌سنج ثابت را برطرف کرد. نرم افزارهای فعال شده با الگوریتم جدید می‌توانند کنترل بازتابی پروتزها و اسکلت‌های بیرونی و تعامل با دستگاه‌های واقعیت افزوده و مجازی را تا حد بسیاری بهبود بخشند.

Herr می‌گوید: «همه نوع فناوری برای قرارگیری در سیستم عصبی یا عضلات برای کنترل مکاترونیک وجود دارد، اما به طور معمول یک سیم در مرز پوست یا الکترونیک تعبیه شده در بدن وجود دارد تا انتقال را انجام دهد. زیبایی این روش این است که شما دانه‌های مغناطیسی کوچکی را به بدن تزریق می‌کنید و همه فناوری در خارج از بدن باقی می‌ماند».

کاربردهای بیشمار

گروه Biomechatronic در درجه اول علاقه مند است از یافته‌های جدید خود برای بهبود کنترل پروتزها استفاده کند. این گروه ثبت اختراع الگوریتم و روش خود برای استفاده از آهنربا در ردیابی حرکت عضلات انجام داده‌اند. همچنین با سازمان غذا و داروی ایالات متحده در زمینه راهنمایی برای انتقال ردیابی مغناطیسی با پهنای باند پهن و سریع به عرصه بالینی کار می‌کند. اکنون پژوهشگران در حال آماده‌سازی کارهای بالینی هستند تا تأیید کنند که این روش برای ردیابی بافت‌های انسانی و کنترل پروتزها و اسکلت‌های بیرونی مفید خواهد بود.

فراتر از آن؟ تیلور می‌گوید: «چشم انداز بلند مدت ما برای آینده این است که این آهنرباها را به همه تزریق کنیم تا همه از مزایای لباس مرد آهنین استفاده کنند. همه با قدرت ابرقهرمانی در حال قدم زدن!».


بیشتر بخوانیم:

>> برای نخستین بار فردی همزمان دو پروتز دست را با ذهن خود کنترل میکند

>>این ربات کمکی با یک رابط مغز و رایانه کنترل میشود


منبع: techxplore

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوریهای توان افزا و پوشیدنی) مجاز است.»

پاسخی بگذارید

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