مروری بر اسکلت های بیرونی بالاتنه و فناوری های توانبخشی دست

19 مهر 1396

اسکلت‌های بیرونی بالاتنه برای کار و صنعت

برای کارگرانی که ناچارند ساعت‌های طولانی در کارخانه با ابزاری که نیاز به نیروی دست دارد کار کنند، دستکش‌های توان‌افزای فعال و یا اسکلت‌های بیرونی محافظ شانه و بازو گزینه‌ی مناسبی برای توان‌افزایی و کمک به کارگران هستند.

 

دستکش فعال

دستکش فعال می‌تواند به کارگرانی که قدرت چنگ‌زنی ضعیفی برای نگهداری ابزار دارند کمک کند. همچنین دستکش‌هایی وجود دارد که عکس این کار را انجام می‌دهند و به کارگرانی که به طور طبیعی برای باز کردن برخی از انگشتان مشکل دارند کمک می‌کند. کارگران می‌توانند با یک دستکش این کار را به راحتی انجام و ابزار را در دست نگه ‌دارند. از جمله دستکش‌های فعال می‌توان موارد زیر را نام برد:

• دستکش SEM ساخت Bioservo
• دستکش توان‌افزای بادی صنایع Daiya
• دستکش اسکلت بیرونی RoboGlove جنرال موتورز و Bioservo

 

دستکش‌ RoboGlove پر از حسگر است و قدرت، مهارت و چابکی‌ای برتر از انسان برای کارگران فراهم خواهد کرد. به این معنی که بعد از یک روز کاری درد و خستگی در دست بطور قابل توجهی کمتر می‌شود. دستکش‌های بایوسروو در تولید نیرو برتری دارند و RoboGlove حسگرها و محرک‌هایی برای کمک در انجام کارهای ظریف دارد. این بدان معنی است که جنرال موتورز یک دستکش قوی با دقت دست انسان خواهد داشت. درباره چگونگی کمک به کارگرها فرض کنید دستکش اسکلت بیرونی ۱۰ پوند نیرو فراهم می‌آورد. اگر برای نگه داشتن ابزار ۱۵ تا ۲۰ پوند نیرو لازم باشد کارگرها لازم است فقط ۵ تا ۱۰ پوند نیرو وارد کنند. نه تنها در صنعت ساخت ابزار سنگین، بلکه در زمینه پزشکی و جراحی‌ها هم می‌توان از این دستکش استفاده کرد.

 

اسکلت بیرونی محافظ شانه و بازو

• جلیقه‌ی EksoWorks ساخت شرکت Ekso Bionics : یک اسکلت بیرونی محافظ شانه و بازو است و بخشی برای نگه‌داری سر نیز دارد. این وسیله برای کاهش فشار کار مداوم با ابزارآلات سنگینی که بالاتر از سطح کمر قرار می‌گیرند، طراحی شده است. گروه BMW تصمیم دارد چند ده اسکلت بیرونی EksoWorks Vest از شرکت Ekso Bionics برای پشتیبانی از شانه و بازو به امکانات خود اضافه کند. جلیقه‌ی EksoWorks نخستین اسکلت صنعتی کمکی است که در خط تولید یک تولیدکننده‌ی بزرگ مورد استفاده قرار گرفته است.

---

اسکلت‌های بیرونی بالاتنه با هدف توانبخشی

در ادامه با انواع اسکلت‌های بیرونی بالاتنه که با هدف توانبخشی افراد ناتوان حرکتی و افراد دچار سکته‌ی مغزی طراحی شده‌اند آشنا می‌شویم.

اسکلت‌های بیرونی ثابت بالاتنه (مچ و بازو) :

اسکلت بیرونی InMotion Arm ساخت Interactive Motion Technologies
اسکلت بیرونی InMotion Wrist ساخت Interactive Motion Technologies
اسکلت بیرونی Armeo ساخت Lokomat
اسکلت بیرونی ALEx ساخت KineteK Wearable Robotics
اسکلت بیرونی Tack-Hold ساخت KineteK Wearable Robotics
اسکلت بیرونی HARMONY ساخت ReNeu Robotics Lab, UT Austin
اسکلت بیرونی Power Jacket REALIVE ساخت Panasonic ActiveLink

 

Power Jacket یکی از نخستین اسکلتهای بیرونی نرم است. این وسیله که ساختۀ صنایع Matsushita Electric از شرکای پاناسونیک است برای بیماران آسیب دیدۀ نخاعی که توانایی حرکتی یکی از دستهای خود را از دست داده‌اند طراحی شده است. این وسیله کاملاً انعطاف‌پذیر و راحت است و پوشیدن آن کار آسانی است. یکی از آستینها دارای حسگرهای غیر تماسی برای پایش وضعیت بازوی سالم است. آستین دیگر دارای هشت ماهیچۀ بادی است که با ورود و خروج هوای فشرده باز و بسته می‌شوند. این وسیله به یک کمپرسور هوای قابل حمل و یک صفحه نمایش کنترل نیز مجهز است. سامانۀ Power Jacket نوعی ساختار پایه – پیرو ویژۀ خود را دارد: یکی از بازوها به عنوان کنترلگر (یا هدایتگر) راه دور کار می‌کند و بازوی دیگر حرکتها را انجام می‌دهد. از وضعیت کنونی این پروژه اطلاعی نداریم اما می‌دانیم همۀ پروژه های بعدی اسکلت بیرونی پاناسونیک دارای ساختارهای سخت و محکم هستند.

 

اسکلت‌های بیرونی ثابت بالاتنه (دست) :

Amadeo ساخت Tyromotion
InMotion Hand ساخت Interactive Motion Technologies
Hand of Hope ساخت Rehab-Robotics

اسکلت‌های بیرونی متحرک بالاتنه برای توانبخشی و توان‌افزایی :

اسکلت بیرونی CARAPACE ساخت Lorenzo Masia
دستکش Robotic Soft Extra Muscle (SEM) ساخت Bioservo
دستکش Pneumatic Power Assist Glove ساخت Daiya
اسکلت بیرونی Inflatable Soft Robotic Glove ساخت Wyss Institute
اسکلت بیرونی Affordable Tremor Suppression Arm ساخت MedEXO Robotics
اسکلت بیرونی MyoPro Motion G ساخت Myomo

 

MyoPro یک ارتز آرنج، مچ و انگشتان دست است. این بازوی رباتیک برای افراد با فلج جزیی یا ضعف بازو ناشی از سکته مغزی، آسیب نخاعی و آسیب‌های اعصاب محیطی و بیماری‌های عصبی پیش‌رونده مانند ALS و ام‌اس (MS) طراحی شده است. آخرین مدل MyoPro، ارتز Motion-G به سیگنال‌های الکترومیوگرافی (EMG) ماهیچه‌های کاربر پاسخ می‌دهد و توانایی حرکت دست و بازو را در جهت دلخواه امکان‌پذیر می‌کند و به بیماران کمک می‌کند تا به کارهای روزمره خود در خانه و اجتماع بپردازند. در نتیجه MyoPro به یک وسیله کمکی تبدیل شده که استفاده از دست برای کارهای روزمره را فراهم می‌کند. MyoPro و دستگاه‌های پوشیدنی مشابه کمک‌های کاربردی برای کسانی که به طور کامل از ناحیه دست و بازو فلج نشده‌اند اما نمی‌توانند برای کارهای روزمره از دست خود استفاده کنند، ارائه می‌دهد. رؤیای دیرینه، استفاده از اسکلت بیرونی در منزل برای ارائه کمک‌های کاربردی به منظور بهبود کیفیت زندگی افراد مسن و از کار افتاده بوده است. همچنین وزارت امور سربازان ایالت متحده آمریکا (VA) اسکلت بیرونی جدید شرکت Myomo را برای استفاده سربازان مبتلا به آسیب‌های اندام بالاتنه تایید کرد.

 

روش‌های توانبخشی بیماران سکته‌ی مغزی

از هر شش نفر، یک نفر از سکته مغزی رنج می‌برد. در سوئیس به تنهایی هر ساله ۱۶،۰۰۰ نفر تحت تأثیر سکته مغزی قرار می‌گیرند. دو سوم این افراد از فلج دست رنج می‌برند. آموزش فشرده، بسته به میزان آسیب مغز، به بیماران کمک می‌کند تا دوباره میزان خاصی از کنترل بر دست و بازوی خود را بدست آورند. این آموزش فشرده ممکن است به صورت کار درمانی، فیزیوتراپی و یا شامل ربات باشد.

 

•دستکش مکانیکی Exo-Hand

Exo-Hand یک پروژه شخصی برای کمک به قربانیان سکته مغزی است و Nicolas Rojas از زمان فارغ التحصیل شدن از دانشگاه توسعه آن را آغاز کرده است. این اسکلت بیرونی به بیماران کمک می‌کند تا هرچه سریعتر قدرت عضلات دست خود را به دست آورند. Exo-Hand دارای 12 درجه آزادی است و تنها از یک موتور استفاده می‌کند. مکانیسم Exo-Hand را به طور کامل می‌توان متناسب با هر بیمار تنظیم کرد. این دستکش مکانیکی می‌تواند به طور مستمر برای 1.5 تا 2 ساعت استفاده شود. پیش از این بیشتر جلسات توانبخشی حدود یک ساعت طول می‌کشید. بیماران با استفاده از Exo-Hand قادر به خم و باز کردن دست بدون هیچ مشکلی هستند. کارآیی و دوام این دستگاه با بیماران آزمایش شده است و مشاهده شد که عملکرد دست کاربران بهبود یافته است.

 

•ترکیب اسکلت بیرونی و واقعیت مجازی

هدف بسیاری از اسکلت‌های بیرونی بازی این است که یک نیروی واکنش بر روی کاربر اعمال کند. این نیرو زمانی اعمال می‌شود که کاربر از یک هدست واقعیت مجازی استفاده می‌کند. این نیروی بازخورد اسکلت بیرونی را می‌توان برای یک بیمار توانبخشی برای تأثیر بیشتر تمرین‌های توانبخشی مورد استفاده قرار داد. یکی دیگر از جنبه‌های اسکلت بیرونی بازی این است که آنها در نقطه مشترک بین زمینه‌های واقعیت مجازی و فناوری اسکلت بیرونی هستند. بسیاری از اسکلت‌های بیرونی پزشکی توانبخشی در حال حاضر از VR استفاده می‌کنند.

 

 

گزارشی از اجرای موفق توانبخشی فیزیکی با اسکلت بیرونی و واقعیت مجازی Armeo Power وجود دارد. Armeo Power یک پوشش محافظ بیرونی فعال بازو است که نیروی اضافی برای مقاومت در برابر گرانش و تسهیل حرکت بازو را فراهم می‌کند. هدف این است که بیمار تعداد زیادی از حرکات را برای نمونه پس از سکته مغزی انجام دهد. کاربران می‌توانند به ارزش یک تا دو کیلومتر حرکات بازو را پوشش دهند در حالی که یک دلفین مجازی را کنترل می‌کنند. این چندین مرتبه بیشتر از جلسات منظم توانبخشی است.

 

•ایجاد ارتباط مستقیم بین مغز و ربات

با ایجاد تعامل بین مغز و اسکلت بیرونی می‌توان تحولی عظیم در زندگی روزمره بیماران سکته مغزی ایجاد کرد. برای این کار باید قصد حرکتی فرد بیمار در مغز شناسایی و اطلاعات مسقیماً به دستگاه رباتیک ارسال ‌شود. آزمایشگاه مهندسی و توانبخشی ETH قصد دارد با انجام پروژه‌ای در درمان و زندگی روزمره بیماران سکته مغزی تغییری اساسی ایجاد کند. هدف این پروژه استفاده از قدرت تفکر برای کنترل یک ربات است که به فرد بیمار کمک می‌کند تا دست فلجش را حرکت دهد. در واقع یک پوشش بیرونی دست که به بیماران سکته مغزی کمک می‌کند تا تمرینات توانبخشی را با زندگی روزمره خود ادغام کنند.

 

پژوهشگران یک اسکلت بیرونی دست توسعه دادند که با ذهن و حرکات چشم کنترل می‌شود. برتری این سامانه نسبت به اندام‌های رباتیک کنترل شونده با ذهن پیشین این است که می‌توان آن را در بیرون از آزمایشگاه و در محیط‌های شلوغ استفاده کرد. این سامانه با ترجمه فعالیت الکتریکی مغز به سیگنال‌های کنترل در دست رباتیک کار می‌کند. کاربر یک کلاه با پنج الکترود می‌پوشد و در مورد چنگ زدن یک شی فکر می‌کند. این کار یک الگو در فعالیت مغز تولید می‌کند که توسط الکتروانسفالوگرافی یا EEG تشخیص داده می‌شود. یک الگوریتم بر روی یک رایانه یا تبلت این الگوهای فعالیت مغزی را مشخص و آنها را به سیگنال‌های کنترلی تبدیل می‌کند. سپس یک جعبه کنترلی و مجموعه‌ای از محرک‌ها، اسکلت بیرونی دست را هدایت می‌کنند تا حرکات هماهنگ و عمل چنگ زدن شی انجام شود. کل فرآیند از نیت تا چنگ زدن تنها چند ثانیه طول می‌کشد که احتمالاً به اندازه کافی برای گرفتن یک توپ سریع نیست اما برای برداشتن یک فنجان یا چرخاندن دکمه مناسب است. اسکلت بیرونی دست توسط Nicola Vitiello و Maria Chiara Carrozza در مؤسسه بیورباتیک در پیزای ایتالیا توسعه داده شده است. این روش استفاده از اسکلت بیرونی دست ممکن است به بازگرداندن عملکرد کامل دست کمک کند.

 

---

دست مصنوعی مبتنی بر فناوری چاپ سه‌بعدی

اسکلت‌های بیرونی و فناوری‌های توانبخشی را می‌توان با توجه به روش ساخت تقسیم‌بندی کرد. با توجه به این‌که فناوری تحول‌آفرین چاپ سه‌بعدی بخش جدایی‌ناپذیر ساخت فناوری‌های معلولان شده است. در بخش مجزا به دست‌های مصنوعی چاپ سه‌بعدی و تحولات ناشی از آن می‌پردازیم.

 

پژوهشگران دانشگاه کورتین، فناوری چاپ سه‌بعدی را برای ساخت یک اسکلت بیرونی دست بکار گرفته‌اند که می‌تواند آیندۀ توانبخشی را هم از نظر هزینه و هم از نظر کاهش تعداد جلسات توانبخشی برای بیمار بهبود دهد. این اسکلت بیرونی دست که Assisted Finger Orthosis نام دارد می‌تواند با استفاده از ۴۸ پارامتر مختلف برای هر کاربر شخصی‌سازی شود. این دستگاه که توان خود را از باتری دریافت می‌کند، به موتورهای خطی کوچکی مجهز است که می‌توانند برای حرکت دادن انگشت در قالب فرآیند توانبخشی برنامه‌ریزی شوند. بنا به گفتۀ پژوهشگران، فیزیوتراپ‌ها می‌توانند از راه دور پارامترهای مرتبط با حرکت انگشت، دامنۀ حرکت و فرکانس آن را تعیین کنند.

 

Magic Arms یک اسکلت بیرونی ساخته شده با فناوری چاپ سه بعدی است که می‌تواند کودکان را در انجام فعالیتهای روزانه مانند بازی کردن، در آغوش گرفتن، غذا خوردن و کارهای بهداشتی یاری دهد. Magic Arms این کار را با ایجاد تعادل در بازوهای کودک با استفاده از چارچوب چاپ سه بعدی و طنابهای مقاوم انجام می‌دهد. همۀ مفصلهای این وسیله دارای بلبرینگ هستند و امکان تقویت نیروی بازوها را به فرد می دهند. این وسیله را می‌توان به دلخواه تنظیم کرد تا با شرایط سنی و رشد کودک هماهنگ باشد. این وسیله بدون هر گونه چشمداشت مالی ساخته شده تا بتوان آن را به دست کودکان بیشتری رساند.

 

پرو‌ژه‌های متن‌باز دست مصنوعی

یکی از پروژه‌های مرتبط با پروتزهای دست چاپ سه بعدی پروژه‌ای با نام OpenHand است که موفق به دریافت جایزۀ نقدی سالانۀ Dyson در بریتانیا شده است. پروژۀ open hand از زمانی آغاز شد که مهندسی به نام Joel Gibbard شروع به ساختن یک دست رباتیکی ارزان و سریع نمود و یک دست مصنوعی متن‌باز به نام Dextrus ساخت. وی هم‌اکنون در شرکت تازه تأسیس خود، Open Bionics این پروژه را ادامه می‌دهد. طرح‌های متن‌باز OpenBionics.org و OpenBionics.com به همت شرکت Open Bionics ساخته شده‌اند و دارای مجوز Creative Commons هستند. هر کسی می‌تواند با استفاده از این طرح‌ها دست زیستی خود را با فناوری چاپ سه بعدی چاپ کند. همانند دست‌ مصنوعی الهام گرفته از بازی Deus Ex که با همکاری همین شرکت ساخته شده است.

 

طرح‌های متن باز Cyborg Beast به طور آزاد در وبگاه Thingverse منتشر شده است، توسط Jorge zuniga پژوهشگر بخش بیومکانیک در دانشگاه Nebraska در Omaha برای ساخت دستهای مصنوعی کم هزینه و کاربردی آغاز شد. او بر این باور است با چاپ سه‌بعدی می‌توان هرکاری انجام داد و در زمینه پروتز انقلاب ایجاد کند. حداقل ۵۰۰ عدد دست مصنوعی متن‌باز cyborg beast در سراسر جهان در حال استفاده است و طرح آن بیش از ۴۸۰۰۰ بار دانلود شده است. HACKBerry که یک طراحی پروتز متن باز است. RoboHand نیز یک طراحی از دست مصنوعی است که حاصل کار یک نجار است که خود در حادثه‌ای دو تا از انگشتانش را از دست داد.

 

---

ابزار اسکلت بیرونی رباتیک برای آموزش

 

EduExo یک بسته اسکلت بیرونی رباتیک مبتنی بر آردوینو و چاپ سه بعدی برای دانش آموزان، علاقمندان و مربیان است که می‌توان آن را سرهم‌بندی و برنامه‌ریزی کرد. این بسته شامل سخت‌افزاری است که برای ساخت یک اسکلت بیرونی آرنج به آن نیاز است. یک دفترچه راهنما مراحل مختلف پیکربندی را آموزش می‌دهد. افزون بر این، این دفترچه راهنما شامل اطلاعات پیش زمینه درمورد تاریخچه ، قابلیت‌ها و فناوری اسکلت بیرونی است. گفتنی است این مجموعه تنها برای نشان دادن اصول اولیه اسکلت بیرونی در نظر گرفته شده است.

---

Cybathlon : فرصتی برای ارزیابی بازوهای مصنوعی

 

در رقابت Cybathlon یا به عبارتی المپیک سایبورگ‌ها، شرکت‌کنندگان با مهارت‌های خود در شش حوزه به رقابت می‌پردازند و فناوری‌هایی که موجب بهبود زندگی معلولان می‌شود را به نمایش می‌گذارند. یکی از شش حوزه، رقابت بازوی مصنوعی است. این رقابت در دو بخش پروتزهای غیر فعال و فعال برگزار می‌شود. شرکت کنندگان باید بتوانند افزون بر انجام کارهای روزمره با دست مصنوعی خود، کارهایی انتزاعی که کارکرد عضو مصنوعی را به چالش می‌کشد انجام دهند.

استفاده و بازنشر این نوشتار تنها با ذکر لینک منبع و نام «مجله‌ی فناوری‌های توان افزا و پوشیدنی» مجاز است.

 

منبع : مجله‌ی فناوری‌های توان افزا و پوشیدنی