دکتر دیکسون در کنفرانسی در دانشگاه فلوریدا اطلاعاتی در مورد کنترل رباتیک حرکتی و تحریک الکتریکی عضلات در توانبخشی ارائه داد. وی همچنین در مورد مشکلاتی که او و تیمش برای ساخت دوچرخه سایبرنتیک داشتند و راهکارهای غلبه براین مشکلات نیز توضیح داد.

دکتر دیکسون در کنفرانس توانبخشی با تحریک الکتریکی عضلات

توانبخشی بوسیله تحریک الکتریکی عضله (EMS) و تحریک عملکردی الکتریکی (FES) یک زمینه در حال توسعه است که شروع به ادغام با توسعه اسکلت بیرونی کرده است. در تحریک الکتریکی عضله، یک میدان الکتریکی کوچک به همه گروه‌های عضلانی اعمال و موجب انقباض آنها می‌شود. ولتاژ را می‌توان به زیر یا روی پوست و به عضلات یا رشته‌های عصبی عضلات اعمال کرد. رایج‌ترین روش، استفاده از پد نرم بر روی پوست است. به طور معمول یک پد آند است و در آغاز یک گروه عضلانی قرار داده می‌شود. پد دیگر کاتد است و در پایان گروه عضلانی که قصد تحریکشان را داریم، متصل می‌شود.

طی سال‌ها از EMS برای تحریک گروه عضلانی غیر فعال و تمرین عضلات استفاده می‌شود. دو اشکال عمده به این روش وارد است. از آنجا که عضلات از بیرون بدن فعال می‌شوند، بدن انسان هیچ مزیتی از کار اختیاری عضلات به دست نمی‌آورد. نقطه ضعف قابل توجه دوم (که در ادامه مورد بحث قرار می‌گیرد) این است که عضلات با تحریک الکتریکی بسیار سریع خسته می‌شوند.

تحریک عملکردی الکتریکی (FES) با استفاده از پالس‌های الکتریکی، عضلات فلج (عضلاتی که دیگر تحت کنترل سیستم عصبی نیستند) را فعال می‌کند. FES یک کاندیدای فناوری خوب برای استفاده در ارتباط با اسکلت بیرونی پزشکی و درمان آسیب نخاعی (SCI) است. به عنوان یک موضوع واقعی، این کار دست کم یک بار انجام شده است. در سپتامبر ۲۰۱۵، UCLA اعلام کرد که قادر است با استفاده از ترکیب اسکلت بیرونی EKSO GT و FES قابلیت تحرک را به یک بیمار فلج کامل عطا کند: آموزش گام برداری رباتیک و تحریک نخاعی غیر تهاجمی بیمار را قادر می‌سازد تا هزاران گام بردارد.

از تحریک الکتریکی عضلات می‌توان به کرات برای تمرین گروه‌های عضلانی و کمک به شکل‌پذیری مغز (سیم‌کشی مجدد مسیرهای مغزی آسیب دیده به دلیل مصدومیت مانند سکته مغزی) بهره برد. فناوری در حال پیشرفت است و یکپارچه شدن آن با توانبخشی اسکلت بیرونی در آینده اجتناب ناپذیر است. صنعت اسکلت بیرونی مجبور خواهد بود نگاهش را روی پیشرفت توانبخشی با تحریک الکتریکی نگه دارد.

انجمن سیستم‌های کنترل CSS) IEEE) با حمایت  Qualcomm و دیگر حامیان، ارائه پروفسور وارن دیکسون در دانشگاه فلوریدا، گینسویل را با عنوان: Cybernetic Cycling: Robotics/Autonomy Insights Facilitate Neurological Rehabilitation میزبانی کردند. برای جزئیات بیشتر بازدید کنید: کنترل غیر خطی و تارنمای رباتیک در دانشگاه فلوریدا.

پروفسور وارن دیکسون نه تنها یک متخصص در زمینه کنترل رباتیک حرکتی و تحریک الکتریکی عضله است بلکه مربی یک تیم دوچرخه سواری FES در رقابت Cybathlon نیز بود. افزون براین برخی از دانشجویان وی در حال حاضر شرکتی را برای توانبخشی عضلات با دوچرخه تأسیس کرده‌اند. دکتر دیکسون در طول سخنانش برخی از تجارب خود در تیم دوچرخه سواری را به اشتراک گذاشت.

نخستین چالشی که دکتر دیکسون و تیمش با آن مواجه بودند به دست آوردن زمان مناسب بود تا گروه‌های عضلانی فعال شوند و انقباضی نرم ایجاد کنند. زمان‌بندی ضعیف تحریک الکتریکی عضلات موجب انقباض بی‌نظم و آشفته عضلات می‌شود؛ در نتیجه گشتاور خروجی بسیار مفیدی نداریم. به گفته دکتر دیکسون، راهکار غلبه بر نخستین چالش پیدا کردن کمترین فرکانس ممکن برای پالس الکتریکی است و ایجاد یک تأخیر در کنترل و حرکت طبیعی عضله.

چالش دوم کاهش خستگی عضلانی بود. همانطور که قبلاً ذکر شد تحریک الکتریکی عضلات نیاز دارد تا در یک فرکانس بالاتر از فرکانسی که سیستم عصبی بدن معمولاً استفاده می‌کند، انجام شود. این موجب خستگی بسیار سریع عضلات می‌شود. علاوه‌براین افراد تحت توانبخشی اغلب حجم و قدرت عضلانی‌شان کاهش یافته است. ترکیب این دو با هم عضلات را بسیار سریع خسته می‌کند. این تیم از دو جهت برای غلبه بر این چالش نگاه کردند: فعال کردن عضلات در نقاط گوناگون و یا فعال شدن گروه‌های عضلانی جداگانه به طور مستقل. تیم ایده دوم را انتخاب کرد اما روش کنترل آنها بسیار پیچیده‌تر شد. به جای داشتن یک تحریک آنها باید چهار گروه تحریک داشته باشند (شبیه رانندگی با چهار پدال گاز متفاوت). در حالی که این موجب پیچیده شدن محاسبات شد از طرفی موجب کاهش قابل مشاهده خستگی عضلات نیز شد. گروه‌های عضلانی گوناگون تنها زمانی فعال شدند که نیاز بود و زمان بیشتری برای استراحت داشتند.

دوچرخه‌سواری FES

در نهایت، گروه به یک چالش عمده غلبه کرد. زمانی که دوچرخه توسط هر دو پا حرکت می‌کند هر بار که پدال‌ها در یک ردیف باشند پاها تنها نیروی غلبه بر اینرسی را وارد می‌کنند. این بدان معنی است که بخشی از چرخش میل لنگ دوچرخه کنترل نشده است. این واضح نیست که چه زمانی پدال دوباره به زاویه بهینه خود می‌رسد تا توسط پاها تحت فشار قرار بگیرد. اگر زمان فعال‌سازی عضلانی نادرست باشد (اندازه‌گیری با دقت میلی ثانیه) مشکل ایجاد می‌شود. برای حل این مشکل تیم یک موتور به دوچرخه اضافه کرد پس زمانی که میل لنگ در منطقه مرده (زاویه‌ای که هل دادن با پاها حدأقل چرخش را دارد) بود موتور، چرخش پدال‌ها را به عهده دارد.

در نتیجه دوچرخه به یک دستگاه سایبرنتیک تبدیل شد. علاوه بر موتور، دوچرخه با حسگرهای چرخشی و گشتاور در میل لنگ که اطلاعات را به الگوریتم کنترل می‌دهد، مجهز شده است. در نتیجه سیستم کنترل بدست آمده یک تحریک الکتریکی کنترلی حلقه بسته برای عضلات است که منجر می‌شود پاهای دوچرخه‌سوار سرعت و نیروی چرخشی را تنظیم کند.

در حالی که ارائه کاملاً آموزنده بود، یک بخش دوم نیز داشت. دکتر دیکسون یک درخواست شخصی از مهندسین رباتیک و توسعه‌دهندگان سیستم کنترل داشت تا با صنعت توانبخشی همکاری داشته باشند. تخصص آنها در حال حاضر برای حرکت روبه جلو توانبخشی رباتیک ضروری شده است. در جلسه از حدود ۴۰ متخصص و مهندس (با تشکر ویژه از شرکت کوالکام برای ارائه مکان) هیچ کس جز تیم گزارش اسکلت بیرونی در مورد رقابت Cybathlon چیزی نشنیده بودند.

با تشکر ویژه از انجمن سیستم‌های کنترل CSS) IEEE) و حامیان آنها از جمله شرکت کوالکام برای میزبانی یک رویداد بزرگ!

منبع: exoskeletonreport.com