چكيده
در يك مفهوم وسيع، اين تحقيق در خصوص انسان ها به عنوان تلاش هاي براي شبيه سازي انسان در يكپارچگي او يا برخي از مؤلفه هاي اصلي اوست. بنابراين، توسعة يك اندام مصنوعي سيبرنتيك، شبيه سازي توانايي هاي حسي – حركتي تا حد ممكن دست طبيعي به عنوان يك هدف مهم در اين زمينه قابل ملاحظه است.
اين مقاله تلاش مي كند تحقيقاتي جاري را در جهت توسعة اين سيبرنتيك از دست مصنوعي ارائه مي دهد كه بر برخي از زيانهاي سيستم سيبرنتيك جاري فائق خواهد آمد. اين اندام مصنوعي جديد از طريق يك مقطوع العضو به عنوان فقدان يك اندام طبيعي احساس مي شود كه باز خورد احساس طبيعي وي را بوسيلة شبيه سازي عصب هاي خاصي توزيع مي كند. علاوه بر اينها، از طريق يك شيوة بسيار طبيعي از راه پردازش سيگنال و ابران كه از دستگاه مركزي اعصاب مي آيند كنترل مي شوند. (لذا ناراحتي پروتزهاي كنترل مبتني بر EMG جاري را كاهش مي دهد).
بويژه، در اين مقاله سه موضوع اصلي مورد بحث قرار خواهد گرفت: طراحي بهينه سازي پروتزهاي مكاترونيك پيشرفته موجود، حساس سازي دست مصنوعي، و كنترل آن.
۱- مقدمه
در مفهوم كلي آن، تحقيق در خصوص شبه انسان به عنوان تلاشي در جهت شبيه سازي انسان از لحاظ يكپارچگي او و برخي مؤلفه هاي اصلي او مي باشد. لذا توسعة يك اندام مصنوعي سيبرنتيك، شبيه سازي توانايي هاي جسي – حركتي تا حد ممكن و نظير دست طبيعي به عنوان موفقيت تحقيق روبات شبه انساني است.

دست انسان نمونة معجره آسايي از چگونگي مكانيسم پيچيده اي است كه اجرا مي شود و قادر به درك امور پيچيده و مفيد با استفاده از يك تركيب مؤثر مكانيسم ها، احساس، عملكردهاي فعال سازي و كنترل مي باشد ]۲ و ۱[. دست انسان نه فقط يك ابزار مؤثر است بلكه همچنين يك ابزار ايده آل براي كسب اطلاعات از محيط خارج است. شبيه سازي و تقليد از توانايي هاي سيستم كاري انسان براي قرن ها روياي دانشمندان و مهندسين بوده است.

در حقيقت، توسط يك دست مصنوعي واقعاً شبيه انسان به احتمال يكي از شناخته ترين طرح هاي زيستي است.
عليرغم چند تلاش تحقيقاتي با هدف نوآوري و تكنولوژي دست هاي مصنوعي، پژوهش هاي رضايت كاربر در استفاده از دست هاي مصنوعي آشكار كرد كه ۳۰ تا ۵۰% مقطوع العضوها بطور شديد از دست هاي مصنوعي خود به طور منظم استفاده نمي برند ]۴ و ۳[. عوالي اصلي را كه سبب فقدان علاقه براي ميوالكتريك است دست مصنوعي مي شود در سه نكته تحليلي مي شود: عملكرد پايين، تزئين و جراحي كن، و قابليت كنترل كم.

در اين مقاله تلاش هاي تحقيقاتي به سمت درك سيبرنتيك پروتزهاي دست ارائه خواهد شد. بخصوص، ساختار مكانيكي پروتزها، حساس سازي آن و طرح كنترل آن، همراه با اولين نتايج آزمايشگاهي در بخش هاي زير توضيح داده خواهد شد.
۲٫ دست شبيه انساني سه انگشتي (anthropomorphic)
يك دست نيرومند سه انگشتي از طريق محققين در مركز INAIL RTR در چهارچوب پروژة CYBERHAND توسعه مي يابد ]۶[. اين دست زواياي سنسورهاي مشترك توسعه يافته در اسكيولا سانت آنا تركيب خواهد نمود. چهار حركت بكار گرفته مي شوند، يكي براي جنبش و حركت انگشت شست به طرف بيرون و داخل، و ديگر براي باز و بسته كردن سه انگشت است. تاكيد بر توسعه يك وسيله است كه سبك وزن، قابل اعتماد، زيبا، داراي انرژي كافي و عملكرد بالا و در نهايت از نظر تجاري مورد اطمينان است.

توسعة اين دست جديد بر اساس دست RTRII است (۷) كه در آن راه حل پيشنهاد شده از طريق شيگئو هيروس در ساخت گرايپر (۸) براي دو انگشت و شصت اعمال شده است.
پروتزهاي تجاري دست دو يا سه درجه آزادي (Dofs) است كه باعث حركات انگشت و وضعيت شست مي شود. به خاطر نبودن Dofs، چنين وسايلي با عملكردي درك پايين توصيف مي شوند. در واقع، آنها اجازه مرور شدن كافي اشياء را نمي دهند، كه در مقايسه با تطابق پذيري دست انسان قرار دارد. در نتيجه، اشياء بايد بطور صريح گرفته شوند تا بطور امن نگه داشته شوند (۹).
مكانيسم هاي درست عمل نشده باعث توانايي هاي گرفتن خود تطبيق مي شوند، و در برابر تعداد زيادي از Dofs كنترل شده با تعداد محدودي از تحريك كننده ها و مكانيسم هاي متمايزي قدردان هستند. اين رويكرد اجازة توليد مجدد بيشتر عملكردهاي درك انسان را بدون افزودن پيچيدگي مكانيكي و كنترلي را مي دهند. اين مشخصه بطرز خاصي در دست هاي مصنوعي مهم هستند، هنگامي كه فقط چند سيگنال كنترلي از واسطة كنترل EMG موجود باشند، و لذا براي مقطوع العضو امكان دارد كه در يك شيوة طبيعي بيش از دو محرك را كنترل كند.

دست RTR II داريا سه انگشت است، مياني، نشانه و شست، و نه DOFS در كل، اما فقط دو عدد حركتي دارد: يكي براي حركات كششي از تمام انگشتان شست (گيرندة قدرت) و يكي نيز براي حركات نزديكي و دور كردن شست (گيرندگي و درك). انگشتان نشانه و مياني همسان هستند (هر دو داراي سه فالانج هستند)، درحاليكه انگشت شست داراي دو فالانج است، همانند دست انسان. (شكل (a) 1).
اين دست بر اساس يك سيستم انتقال تاندون است. كشش تاندون ها يك گشتاور نرم شو را در اطراف هر مفصل بوجود مي آورد، كه بوسيلة پولي هاي كوچك است، و حركت خمشي را ميسر مي سازد، اين ساختار انتقالي به همان شيوة فلكسور ديجيتروم پروفاندس عملي مي كند ]۱۱[. حركت گسترشي از طريق فنرهاي پيچشي درك مي شود. دور شدن و نزديك شدن حركات انگشت شست بوسيلة يك مكانيبسم ارتباطي چهار ميلي انجام مي شود. شكل ۱(b) نشان دهندة سيستم هاي تحركي و انتقال است.

به منظور اجراي يك درك تطابقي بين انگشتان، يك سيستم درك تطابقي طراحي شده است. اين سيستم مبتني بر فنرهاي فشرده است: هر دو سيم انگشتي به يك غلتك خطي متصل است كه از طريق دو فنر تراكمي صورت مي گيرد (شكل ۲). در طي يك درك كلي، انگشتان نشانه و مياني ممكن است در تماس با يك شيء گرفته شده بطور همزمان باشد، يكي از انگشتان و شست در تماس با اولي قرار مي گيرند. هنگامي كه اين حالت رخ مي دهد، در پروتزهاي قراردادي، انگشت ديگر قادر به رسيدن به شيء براي بهبود بخشيدن به توانايي درك نمي باشد. و اين كار مديون انتخاب فنرهاي كشسي اين مسئله است كه قابل حل مي باشد: هنگامي كه اولين انگشت (مثل انگشت مياني) در تماس با شيء قرار مي گيرد، فنر مربوطه شروع به تراكم مي كند، و غلتك هم اكنون آزاد است تا حركت آنرا و انگشت دوم ادامه دهد (مثل انگشت نشانه) كه مي تواند خم شود و به شيء برسد.

هنگامي كه نيروهيا زياد مورد نياز باشند، فنرهاي كششي به عنوان يك ارتباط محكم عمل مي كنند و تمام نيرو از غلتك به انگشتان منتقل مي شود، اين مهمترين مزيت استفاده از فنرهاي كششي بجاي فنر تراكمي است.
۳٫ سيستم حس گر مصنوعي
سيستم حسگر مصنوعي هستة سيستم كنترل دست است، و داراي يك نقش دوگانه است: اولاً فراهم كنندة سيگنال هاي ورودي براي حلقة كنترلي سطح پايين فاز گرفتن است، و لذا كنترل موضعي و مستقل را بدون نياز به توجه كاربر و واكنش لغزشي ميسر مي سازد. بعلاوه، يكسري سيگنال هاي حسگر را خلق مي كند كه كاربر منتقل مي شود. هدف از طراحي حسگر عبارتست از خلق يك دست مصنوعي و تعداد كثيري از حسگرهاي متفاوت به منظور دادن عملكرد هاي مشابه به دست به عنوان دست انسان.

سيستم حسگر دست براي ايجاد كنترل خودكار امور گرفتن اشياء بدون نياز به توجه ويژه و تلاش براي استفاده كننده دست است. علاوه بر اين سيستم حسگر مورد مطالعه قرار مي گيرد تا اولين دسته آزمايشات را براي پژوهش در سهولت فراهم سازي بازخوردهاي شناختي در خصوص گرفتن اشياء به مقطوع العضو ايجاد كند.
بنا به اين دلايل، طبق يك رويكرد بيوشمي (۵)، سيستم حسگر مصنوعي در تكرار سيستم حسگر طبيعي است كه هر دوي توانايي هاي درك داخلي و درك خارجي فراهم مي سازد.
بويژه، نوع جاري با قرار دادن حسگرهايي براي انگشت شست و براي غلتك فراهم مي شود كه اين سه انگشت را حركت دهد، يك تنش سنج روي كابل كه قادر باشد انگشت نشانه را حركت دهد، و يك حسگر نيرويي روي نوك انگشت شست. در زيربخش هاي زير سيستم حسگر بطور دقيق توضيح داده خواهد شد.

۳-۱- حسگر وضعيت حس عمقي: حسگر وضعيت غلتك
يك سنجش كيفي از وضعيت هاي بند انگشتان از طريق شناسايي تعويض غلتك بدست مي آيد، جايي كه يك حسگر هال (مدل SS49B، شركت هاني ول، … در ايالات متحده) سوار مي شود. اين حسگر وضعيت غلتك را در امتداد ضربة آن شناسايي مي كند كه در طي حركات خمشي / كششي انگشتان صورت مي پذيرد، مثل حساسگرهاي زاويه اي فيرمولوژي در كپسول هاي مفصلي ]۱۲[.

مشكل اصلي مواجه شده در هنگام توسعة اين حسگر عبارت از پوشاندن كل ضربة غلتك (در حدود mm20) كه در مقايسه با ميزان كار نرمال حساسگر هال زير مي باشد،‌ به اين دليل ما تعدادي از تركيب بندي هاي مغناطيسي را شبيه سازي و مقايسه مي كنيم كه از طريق نرم افزار (Ansys Multiphysics (ANSYS Inc, usa) انجام مي شود. يك تركيب بهينة خاص از لحاظ آزمايشي با استفاده از شركت بين المللي ۱۲ Honeywell مغناطيسي ۱۰۳MG5 مي باشد. تنش الكتريكي هال خلق شده در اين تركيب قادر به پوشاندن كل غلتك است و گرايش آن يكنواخت و كاملاً خطي است، كه در شكل A-3 نشان داده شده است (The Mathworks, INC, Natuck, MA. Usa) كه در ]۷[. توضيح داده مي شود وبراي مربوط ساختن غلتك با زواياي مفصل ها توسعه يافته است: از طريق اين مدل امكان دارد كه وضعيت مفصل ها در طي يك حركت باز و بسته شدن ميسر شود.

اين تحليل آزمايشي شبيه سازي و قطرسنجي نهايي را روي صفحه حالت خوب و تكرارپذيري را فراهم كرده است ( و از طريق كاهش ماشين كردن و مونتاژ كردن انجام مي شود ]۷[)
۲-۳ ايجاد حس وضعيت زاوية مفصل عمقي: حساسگر وضعيت انگشت شست يك كلاهك مدور شكل با دو مغناطيس بر پاية انگشت شست مونتاژ شده اند كه در طول مركز چرخش مكانيسم ارتباطي چهار ميله است و توانايي هاي دور شدن / نزديك شدن را به انگشت شست مي دهد. يك حساسگر مؤثر هال (مدل SS496B، شركت (Honeywell, freeport, II, usa، در جلو كلاهك واقع است و زاوية جابجايي انگشت شست را مي سنجد، هنگامي كه حركات دور شدن / نزديك شدن اجرا مي شود، بنابراين شبيه حساسگرهاي زاويه اي فيزيولوژي در اين مفصل عمل مي كند ]۱۲[. اين حسگر داراي ميزان عملكردي ۰۳۰ دست و حساسيت خوب، تكرارپذيري و عملكرد خطي خوبي را نشان داده است.

۳-۳ نيروي حساسگر تاندون عمقي
در دست RTR II، كابل هاي انتقالي در يك طرف بندهاي فاصله اي مياني و نشانه، از سوي ديگر، آنها به غلتك خطي بوسيلة دو فنر فشرده با مكانيسم هاي متمايز متصل هستند. اين كابل ها بطور مستقيم روي دو عنصر سيار عمل مي كنند كه فنرها در طي گرفتن تطبيقي با يك شكل نامنظم فشرده مي سازد. اين نيروي حساسگر از طريق حساس سازي يك عنصر الاستيك كه به عنوان يك توقف مكانيكي براي كابل ها عمل مي كند كسب مي شود. تنش تاندون مبتني بر مقياس هايي مي باشد (مدل ESU-025-1000-Entrasn Inc، USA، NJ و Fairfield). اين ساختار ميكرومكانيكي براي كسب يك پاية قابليت تغيير ساخته شده است. (نمودار ۵)، كه به منظور نظارت مستمر تنش كابل اعمال شده از طريق حركت ها مي باشد، همانند اندام تاندون گلگي در سري هاي يا يك عضله ]۱۲[.

اين قطرسنجي با يك ماشين تست INSTRINR4464 (Instron. Corporation, Can to, Massachusetts, USA) با يك سلول بار استاتيك كه در ميزان ۱KN كار مي كند. يك قسمت استوانه اي شكل، ثابت شده برروي سلول بار، براي بكارگيري بار مورد استفاده بوده است كه در شكل ۶ نشان داده شده است. سيگنال حساسگرهاي كششي در ابتدا تشديد شده اند، سپس از طريق يك بورد بدست مي آيند (ابزار بين المللي كارت ۱۲۰۰ DAQ)، و سرانجام از طريق يك واسطة Lab View TM براي رويت نمودن در خروجي بلادرنگ (دست ها) درمقابل بار بكار گرفته شده (N) است.
وسيلة حساسگر حالت ديناميك، حساسيت و قابليت تكرار خوب را نشان داده است، يك هيسترس و زمان تأخير به خاطر مكانيسم متمايزي دست شناسايي شده است (يك فنر تحت مؤلفه كشيده شده وجود دارد ) (۷).

۴-۳ نيروي حساسگري خارجي: حساسگر نيروي انگشت شست
يك حساسگر مكانيكي مصنوعي از طريق حساسگر فشار FSR بدست مي آيد (بخش ۴۰۰#، الكترونيك ارتباط دروني، كاماريلو، كا، ايالات متحده)، كه به قطر mm5 و ضخامت اسمي mm3/0 واقع در نوك انگشت شست: كل بند فاصله، با FSR در جهت كف دست در يك بخش به شكل انگشت شست كه حاوي سيليكان ذوب شده است غوطه ور شده است. هنگامي كه پليمريزاسيون سيليكان تمام شود، يك نيروي حساس نوك انگشت بدست آمده است. حساسگر نيرو فقط روي نوك انگشت اعمال شده است كه بطور قابل توجهي در تمام امور عملياتي دخيل است ]۱۳[.
قطرسنجي ياد شده دستگاه تست INSTRONR4464 اجرا شده است (Instron Corporation, canto, USA) كه با بار استاتيك تحمل كرده در ميزان ۱KN مي باشد. اين دست با نيروي حساسگر رو به سمت بالا قفل مي شود، و يك سيلندر (به قطر mm5)، ثابت شده روي سلول بار، براي بكار بردن اين بار مورد استفاده بوده است.

آزمايشات اوليه يك هيسترس كم را نشان داده اند و همينطور تكرارپذيري بالا را (نمودار ۸). اين حساسگر اطلاعاتي را در خصوص فشار استاتيك روي يك بخش وسيع (بيش از mm5) بدست مي دهد و خصوصيات ديناميكي خوبي را نشان داده است. درنتيجه، تيروي توسعه يافتة حساسگر به مشخصه هايFA II و SA II حساسگر مكانيكي روانشناختي شبيه مي شود.
۴- كنترل پروتزها

اين تحقيق بطور فعال داراي سه هدف اصلي است: (۱) توسعة الگوريتم هايي براي استخراج اطلاعاتي در بارة تمايلات كاربر از طريق پردازش سيگنال هاي عصبي طبيعي بوده است (اين زير سيستم از اين به بعد مدوله تشخيص الگوي سطح بالا (HLPRM) ناميده مي شود، (۲) توسعه الگوريتم هايي براي كنترل حلقة بسته از پروتزهاي مصنوعي طبق دستورات وارده از HLPRM و اطلاعات حسگري كسب شده از حساسگرهاي شبه زيستي واقع در پروتزها بوده است (اين مدوله از اين پس كنترل كنندة سطح پايين (LLC) نام مي گيرد، (۳) توسعة يك استراتژي براي شبيه سازي عصب هاي مركزي به منظور فراهم سازي نوعي بازخورد حساسگر براي كاربر.

توسعة HLPRM يك الگوي تشخيص مسئله واقعي است. HLPRM بايد قادر به شناسايي درست آنچه كه در امور t كاربر را وادار به اجرا مي كند و در ميان امور مختلف ممكن است باشد، براي نائل آمدن به اين نتيجه، HLPRM بايد متشكل از زيرسيستم هاي ذيل باشد:

]۱[ يك سيستم براي افزايش نسبت سيگنال به نوفه از سيگنال هاي عصبي مركزي كه با الكترودهاي عصبي از نوع دوباره خلق شده باشد. ارزشي توجه دارد كه در اين حالت بايد نوفه را در نظر بگيريم، نه تنها به عنوان تداخل ناشي از سر و صداي حرارتي يا الكتريكي، بلكه همچنين حضور سيگنال هاي عصبي ديگر كه به كارگيري كه ما تمايل به شناسايي آن داريم مرتبط نمي باشد. بنا به اين دليل استفاده از الگوريتم ويژه (از قبيل الكوريتم هاي دكانولاسيون كدر، تحليل مؤلفه اصلي. يا ارائه مجدد فركانس زمان – هزينه) به منظور تجزيه سيگنال هاي عصبي در نظر گرفته مي شود كه مؤلفه هاي نونه را پاك مي كند.
]۲[ يك سيستم براي تمايز امر مورد دلخواه، در اين حالت، معماري هاي گوناگوني طراحي مي شود و تست مي شوند. بويژه پتانسيل هاي تكنيك هاي باصطلاح نرم افزاري (شبكه هيا عصبي، سيستم هاي مبهم، الگوريتم هاي ژنتيكي) مورد تجليل واقع مي شوند.

چندين ساختار گوناگون مبتني بر الكوريتم هاي آماري و نرم افزاري تحت پژوهش هستند ]۱۵ و ۱۴[. اين سيستم ها در وهلة نخست با استفاده از سيگنال هاي عصبي ثبت شده بوسيلة ميكرونروگرافي تست مي شوند (شكل ۹).
LLC بايد كنترل حلقة بسته محرك پروتز را طبق امر t* كه از سوي HLPRM برگزيده شده انجام دهد (و اطلاعات حاصله از حساسگرها).
همينطور در اين حالت، چندين الگوريتم مبتني بر تكنيك هاي نرم افزاري اجرا خواهد شد. در آزمايشات اوليه، LLC به عنوان يك كنترل كننده منطقي مبهم اجرا شد كه به منظور استخراج حركات پروتزي دست بر اساس اطلاعات حاصله از كنترل كنندة سطح بالا (HLC) به شيوة حلقه – بسته بوده است. يك FLC نياز به يك مدل صريح از دستگاه ندارد و اين در كاربردهاي موتور درايو بسيار مفيد واقع مي شود جايي كه بار مكانيكي غيرخطي يا تا حدودي ناشناخته يا متغيرات در اين آزمايشات اوليه HLC صرفاً يك عملكرد اتفاقي بگزيده در ميان گزينه هاي متفاوت ممكن است. اگر دستور انتخاب شده از طريق HLC «بازكردن دست» بود، اين

سيستم وضعيت فعلي دست را مي خواند و دستورات لازم را براي موتور جهت رسيدن به وضعيت مطلوب فراهم مي ساخت (كه براي بازشدن ماكزيمم دست است). اگر دستور «گرفتن شي» باشد، اين سيستم اطلاعات نيروي دست را از طريق ارتباط با ميكروكنترل كننده بدست مي آورد، كه با استفاده از بخش موازي، و دستور فراهم شده براي موتورها (حركات) بسته به نيروي گرفتن مطلوب است. اين دست تا رسيدن تماس بسته مي ماند.