بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، به بررسی رویهی طراحی و ساخت اولین نمونه از پروتز دست بانام FUM Bionic Hand در آزمایشگاه رباتیک دانشگاه فردوسی مشهد میپردازیم. ابتدا با مروری بر انواع پروتزهای دست ساختهشده - تحقیقاتی یا تجاری - ویژگیهای مهم و موردنیاز و همچنین ایدههای اصلی طراحی را مشخص میکنیم و در ادامه طراحی مکانیکی و مدارات الکترونیکی پروتز FUM Bionic Hand را موردبررسی و تجزیهوتحلیل قرار میدهیم. از مهمترین ویژگیهای مکانیکی این دست میتوان به درجات آزادی مجزا برای هر انگشت، استفاده از مکانیسم تاندون جهت کوپل نمودن حرکت بندهای هر انگشت، قابلیت جداسازی انگشتان بهصورت مجزا بدون نیاز به جداسازی سایر انگشتان و جاسازی تمامی محرک ها و مدارات الکترونیکی در قسمت کف دست اشاره نمود. درنهایت روند ساخت و تولید این دست توسط ماشینآلات گوناگون، جنس بدنه و مدارات الکترونیکی موردبررسی قرارگرفته میشود.
واژگان کلیدی: دست مصنوعی، EMG، FUM Bionic Hand، پروتز
مقدمه
در ایران افراد زیادی دچار معلولیتهای قطع دستوپا به دلایل مختلفی همچون سوانح، جنگ و یا بیماریهایی از قبیل: دیابت و معلولیت مادرزادی میباشند. در بیشتر موارد افراد معلول بدون استفاده از پروتز یا پروتزهای ساده و بدون هیچگونه قابلیت حرکتی با معلولیت خود کنار میآیند. از سوی دیگر در سالیان اخیر، به دلیل پیشرفتهای شگرف در حوزههای فناوری مانند مکانیک، کامپیوتر و الکترونیک و در کل علم بایونیک شاهد معرفی محصولات پیشرفته هستیم که زندگی را برای انسانها سادهتر کرده است. حوزه پروتزهای مصنوعی نیز از این قاعده مستثنی نبوده و دچار پیشرفت قابلملاحظهای شده است بهگونهای که اکنون پروتزهای مصنوعی بایونیک باقابلیتهای حرکتی گوناگون و قابلیت فرمان پذیری بهصورت مستقیم از انسان میباشند.
باوجود همه این پیشرفتها، در سطح بینالمللی تعداد محدودی کمپانی میباشند که به ارائه پروتزهای مصنوعی باقیمت اقتصادی به گروه وسیعی از مشتریان این محصول میپردازند. در ایران، باوجود نیاز فراوان، این محصولات بسیار کمیابتر از سایر بازارهای منطقه و بسیار پرهزینه است - حقانی و همکاران، . - 1391بامطالعهی سیر تکاملی پروتزهای دست اولین گونههای متحرک چنگکهایی بودند اوایل قرن نوزده میلادی توسعه - Ali, 2013 - - josef T.Belter et al, 2011 - ×یافتند.این پروتزها بهعنوان ابزاری مفید و قابلاعتماد در زندگی روزمره افراد معلول در طول سالیان مورداستفاده قرارگرفته شدند. مفهوم اصلی در طراحی چنگک بدینصورت است که همه این ابزارها از دو چنگک ساختهشدهاند.
در بین آنها از فنر مکانیکی بهره گرفته میشده است. جهت بستن چنگکها نیروی محرکه لازم توسط کابل از شانه فردی که از چنگک استفاده میکرد تأمین میشد - شکل- - 1؛ اما کاربران از نقاط ضعف این پروتزها ناراضی بودند. خستگی ماهیچههای شانه در صورت کار مداوم یا سنگین با چنگک، ظاهر بسیار متفاوت از دست طبیعی انسان و عدم توانایی در انجام حرکات پیچیده ازجمله مهمترین نقاط ضعف این چنگکها بود؛ اما با توجه به قدمت آن، امروزه نیز به دلیل نقاط پایین، سادگی و عدم نیاز به تعمیرات پیدرپی، - Ventimiglia, 2012 - قوت فراوانی که دارند ازجمله قیمت ×مورداستفاده قرار میگیرند.این چنگکها تنها دارای یک درجهی آزادی بودند که در سیر تکامل آنها استفاده از موتور الکتریکی جایگزین ارتباط کابلی شد.
آنها نیز در ابتدا از یک درجه آزادی بهره میبردند اما با پیشرفت علم به درجات آزادی آنها افزوده شد و برای حرکت دادن اختیاری انگشتان آن از سیگنال EMG بهره برده شد .MIGUELEZ, 2009 - - در سالیان اخیر دستهای مصنوعی باقابلیت حرکت هر انگشت بهصورت مستقل به بازار عرضهشدهاند. طراحی و کار آیی این دستها بسیار پیشرفتهتر از نسلهای قبلی است. اولین کمپانی عرضهکننده دستهای مصنوعی کمپانی تاچ به که محصول تولیدی آن آی-لیمب نام دارد، مبنای طراحی آی-لیمب انگشتهایی باقابلیت حرکت یونیکس است مستقل است. پسازاین، شرکت آراسال استیپر اقدام به معرفی دست بیبیونیک نمود. این دست در طراحی شباهت بسیار ×زیادی به دست آی-لیمب دارد، اما تلاش شده است که قیمت آن از قیمت آی-لیمب کمتر باشد.
کمپانی ادونس آرم داینامیکس پروتزی را معرفی نمود که به عنوان پیشرفتهترین پروتز دست شناختهشده است. نام تجاری آن میشل آنجلو است و یکی از ویژگیهای بارز آن طراحی انگشتان بهویژه انگشت شست در این دست است که قابلیت مانور بسیار بالایی شبیه به انگشت طبیعی انسان است. متأسفانه قیمت بالای این دست - در حدود 100,000 دلار - مشتریان و حتی شرکتهای بیمه قادر به تأمین منبع مالی لازم - Pittman, 2012 - باعث شده که درصد بسیار بالایی از جهت خریداری آن نباشنداز سوی دیگر در حوزه تحقیقاتی نیز بر روی دستهای پروتز کارهای زیادی انجامشده است. یکی از نمونههای بارز سرمایهگذاری در بخش تحقیق بر روی این محصولات را سازمان دارا DARPA دارا است.
در چند سال گذشته این سازمان تصمیم گرفته است که سرمایهگذاری عظیمی بر روی تحقیقات این پروتزها جهت کمک به تعداد زیادی از سربازان که در میدان جنگ دچار معلولیت عضو گردیدهاند انجام دهد. نتیجه این سرمایهگذاریها دو دست APL و DEKA بود. این دو نمونه دستتقریباً قادر هستند بیشتر کارهایی که دست طبیعی انسان انجام میدهد را تکرار کنند. بودجه تحقیقاتی دست APL در حدود یکصد میلیون دلار و دست DEKA در حدود بیست میلیون دلار بوده است. - Dillow, 2011 - - DEKA Research, 2009 - جهت تحریک انگشتان در دستهای مصنوعی و همچنین دستهای رباتیک دو روش وجود دارد:
:fully actuated-1 که هر بند یک actuator مستقل داشته و حرکت بندها از هم مستقل است. قدر مسلم این است که این روش دارای پیچیدگیهای زیاد درزمینه طراحی مکانیکی، کنترل و ... است. تنها دستهای معدودی هستند که به این روش ساختهشدهاند. همچنین از جنبه کاربردی در دستهای طبیعی نیز اگر به این قضیه نظر کنیم این روش چندان کاربردی نیست.
:under actuated -2 در این روش حرکت چند مفصل به حرکت یک مفصل دیگر کوپل شده استمعمولاً. اینگونه در نظر گرفته میشود که در هر انگشت مفصل پایه، مفصل ثابت و سایر مفاصل، متحرک میباشند. بدین ترتیب از پیچیدگیهای موجود کاسته میشود. این روش فوق در پروتز FUM Bionic Hand انتخابشده است.
در روش under actuated به دو روش حرکت مفاصل به هم کوپل میشود:
-1استفاده از اهرم جهت انتقال حرکت
-2 استفاده از تاندون و پولی جهت انتقال حرکت
