تولید مسیر برای ربات اسکلت بیرونی بر اساس قصد کاربر با استفاده از حسگر‌های مناسب

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، توسعه اسکلت بیرونی اندام تحتانی در سال‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. اسکلت بیرونی اندام تحتانی را به طور کلی می‌توان به دو دسته طبقه بندی کرد، که هرکدام بخشی از نیاز‌های بیمار را برآورده و از روش‌های کنترل متفاوتی استفاده می‌کنند.

حبیب محمد که این پژوهش در قالب رساله دکترای تخصصی وی در رشته مهندسی برق - کنترل انجام شده است، با بیان این مقدمه افزود: دسته اول که "توانبخشی" نامیده می‌شود، برای کمک به بیماران مبتلا به ضعف عضلانی و بازیابی قدرت اسکلتی عضلانی طراحی شده است و از یک استراتژی کنترل"کمک در صورت نیاز" استفاده می‌کند. دسته دوم که "کمکی" نامیده می‌شود برای کمک به بیماران مبتلا به فلج کامل پایین تنه برای راه رفتن مجدد است و از استراتژی کنترل"موقعیت" استفاده می‌کند. وی تشریح کرد: در این رساله فقط بر روی دسته دوم تمرکز شده است. استراتژی کنترل موقعیت به سه سطح تقسیم می‌شود. کنترل سطح بالا که پارامتر‌های راه رفتن را بر اساس قصد کاربر و شرایط محیط تعیین می‌کند. کنترل سطح متوسط که الگوی راه رفتن را با توجه به پارامتر‌های راه رفتن تولید می‌کند و کنترل سطح پایین که مسیر‌های تولید شده مفاصل را مانند PID، دنبال می‌کند.

محمد در خصوص چالش‌های موجود اظهار داشت: با توجه به فلج بودن اندام تحتانی بیمار، هنوز چالش‌هایی در دو سطح اول و دوم وجود دارد. در سطح اول، معمولا قصد راه رفتن کاربر فقط شروع گام برداشتن ربات است و به روش‌های مختلف درک شده است، درحالی که در این رساله شرط شروع به حرکت بر اساس بهتر بودن تعادل جانبی ربات پیشنهاد می‌شود. برای بیماران فلج ضروری است که بر اساس قصد خود با پارامتر‌های خاص گام، از جمله طول گام، ارتفاع گام، و زمان گام راه بروند. مواقعی که مانع یا شیب / پله وجود داشته باشد، پارامتر‌های گام برداری باید بر اساس مشخصات آن‌ها فراهم شود که در این پژوهش با استفاده از حسگر لیزری و روش‌های هوشمند مشخص شده است.

وی در اشاره به محدودیت‌های موجود در روش‌های تولید الگوی راه رفتن گفت: روش‌های تولید الگوی راه رفتن موجود دارای محدودیت‌هایی از جمله عدم تنظیم مناسب الگوی گام برداری بر اساس پارامتر‌های گام برداری مختلف، بهینه نبودن مسیرها، یا زمان حقیقی نبودن الگوریتم تولید مسیر هستند. در این رساله دو روش تولید مسیر بهینه برخط بر اساس پارامتر‌های گام برداری در فضای دکارتی و مفصلی ارائه می‌شود.

پژوهشگر دانشگاه اضافه کرد: با تعریف یک مسئله کنترل بهینه با قید‌های شرایط نهایی تغییرپذیر، مسیر‌های بهینه مد نظر به دست می‌آید. شرایط مرزی مسئله‌ی بهینه، تولید الگوی گام برداری مناسب بر اساس پارامتر‌های گام برداری را به عهده می‌گیرد. با قابلیت تعمیم دادن این شرایط مرزی، مسیر‌هایی برای سناریو‌های مختلف اعم از اجتناب از مانع و بالا / پایین رفتن از پله / شیب تولید می‌شوند. در فضای دکارتی، سه بلوک مولد مسیر برای تولید الگوی راه رفتن ساخته می‌شود. بلوک اول برای مرکز جرم سیستم اسکلت بیرونی - انسان در فاز پشتیبانی است و مسیری برای اینکه بیمار احساس راحتی کند پیشنهاد داده می‌شود، درحالی که بلوک دوم و سوم برای پای پشتیبانی و پای نوسان در فاز نوسان هستند. مسیری برای پای پشتیبانی بر اساس تعادل دینامیکی و با استفاده از معیار مرکز فشار CoP تولید می‌شود، اما برای پای نوسان مسیری با حداقل گشتاور موتور‌های مفاصل برنامه ریزی می‌شود. در فضای مفصلی، سه نوع مولد مسیر پیشنهاد داده می‌شودکه هر سه مولد، مسیرمفاصل ربات و الگوی راه رفتن تولید می‌کنند. نوع اول مسیر مفاصل را با حداقل شتاب زاویه‌ای تولید می‌کند و نوع دوم مسیر مفاصل را با حداقل پیچ وخم تولید می‌کند. اما نوع سوم مولد مسیر چند هدفه است که مزایای هر دو مولد قبلی را پوشش می‌دهد.

محمد در پایان گفت: برای ارزیابی روش‌های ارائه شده آزمایش‌های مختلفی به صورت شبیه سازی و پیاده سازی عملی بر روی ربات اسکلت بیرونی اکسوپد مورد بررسی قرار گرفت و در آنجا نتایج به دست آمده عملکرد خوبی نشان داد.

گفتنی است این پژوهش در قالب رساله دکترای تخصصی حبیب محمد با راهنمایی دکتر سجاد ازگلی عضو هیأت علمی دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه انجام شد.