بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله یک استراتژی برای کنترل موقعیت مفاصل مچ و زانو بر اساس سیگنالهای الکترومایوگرافی ارائه شده است. بلکه به کمک آن بتوان کنترل اگزواسکلتونها و رباتهای توانبخش را بهبود داد. در این پژوهش سیگنالهای الکترومایوگرافی از هفت ماهیچه اصلی که در اکستنشن و فلکشن مفاصل نقش دارند، دریافت و ثبت شده است. شبکه عصبی زمان-تاخیر متغیرهای سینماتیکی مطلوب را تخمین میزند.
ورودی شبکههای عصبی ویژگیهای حوزه زمانی سیگنالهای الکترومایوگرافی انتخاب شدهاند. بهکاربردن ویژگیها بهجای استفاده مستقیم از سیگنالهای الکترومایوگرافی ابعاد و در نتیجه هزینه محاسباتی را کاهش میدهد. قبل از استخراج ویژگیها، فیلترهای میان-گذر جهت از بین بردن نویزهای سیگنالهای الکترومایوگرافی بهکار رفتهاند.
در نهایت کنترل کنندهای به روش مد لغزشی طراحی شده تا به کمک آن موقعیت مفاصل مچ و زانو را بر اساس موقعیت، سرعت و شتاب زوایهای پیشبینی شده، کنترل شود. نتایج و دقت شبکههای عصبی در تخمین متغیرهای سینماتیکی مفاصل و کنترل کننده طراحی شده، نشان میدهند که الگوریتم پیشنهادی میتواند در سیستم کنترلی اگزوسکلتونها و رباتهای توانبخش مورد استفاده قرار بگیرد.
.1 مقدمه
در چند سال اخیر فعالیت در زمینه کنترل رباتهای توانبخش و اگزواسکلتونهایی که با اراده فرد مستقیما در ارتباط باشد، مورد توجه قرار گرفته است. این نوع سیستم کنترلی در طبیعی رفتار کردن رباتها منجر میشود که به ویژه در پروتزها - رباتی که مورد استفاده قرار میگیرد تا وظیفه اندام قطع شده را انجام دهد - ، اهمیت دارد .[1] خوشبختانه سیگنالهای الکترومایوگرافی امکان استفاده از سیستم عصبی بدن را در سیستم کنترلی رباتها فراهم میسازد. این سیگنالها را میتوان از حرکت ایجاد شده در ماهیچهها بدن استخراج کرد.
در واقع هر یک از ماهیچههای موجود در بدن متشکل از تعدادی واحدهای محرک1 هستند که منقبض شدن ماهیچه و تولید نیرو در ماهیچهها به عهده آنها است. هریک از این واحدهای محرک خود به فیبرهای ماهیچهای منحصر به فردی تقسیم میشوند. ایجاد انقباض در ماهیچه مستلزم تحریک عصبی این فیبرها میباشد. تحریک یک فیبر ماهیچهای همانند سیستم عصبی منجر به تغییر پتانسیل الکتریکی فیبر میشود که تغییر در پتانسیل الکتریکی فیبرها منبع سیگنالهای مایوالکتریک میباشد. میزان انقباض ماهیچه را میتوان حین فعالیتهای عصبی با ثبت سیگنالالکترومایوگرافی و بررسی تغییرات آن، پی برد.
زمانی که سیستم عصبی تلاش میکند سطح انقباض ماهیچه را بیشتر کند، سیستم عصبی واحدهای محرکی بیشتری را تحریک کرده و یا فرکانس آنها را افزایش میدهد. سیگنال مایوالکتروگرافی براساس تغییرات ایجاد شده در فیبرهای ماهیچهای اندازه و یا فرکانس آن تغییر میکند. اندازه این سیگنالها بین کسری از میکرو ولت تا چند صد میکرو ولت میتواند متغییر باشد و گستره فرکانسی آنها حتی به بیشتر از 2 کیلوهرتز میرسد که بر اساس سطح فعالیت ماهیچه تغییر میکند اما فرکانس-های بین 10 تا 200 هرتز بیشترین انرژی را دارند و این محدوده از فرکانس حائز اهمیت است .[2]
به دو شکل مختلف از سیگنالهای الکترومایوگرافی در سیستمهای کنترلی استفاده میشود. این دو روش عبارتند از کنترل مستقیم قصد و غرض2 و تشخیص مد فعالیت .[3] 3 در کنترل مستقیم، وضعیت پروتز - موقعیت و سرعت مفاصل و یا گشتاور مفصلها - مستقیما کنترل میگردد. این نوع کنترل در فعالیتهای نامنظم و غیرمتناوبی مانند ایستادن و راه رفتن بر زمینهای ناهموار و نامشخص، بهخوبی عمل میکند. از نمونه کارهای انجام شده در این زمینه میتوان به کنترل پای وندریلت توسط گلدفرب و همکارانش [4]، اشاره کرد. وی با تخمین گشتاور مورد نیاز از روی سیگنالهای الکترومایوگرافی مستقیما پای وندربیلت را کنترل کرده است.
در مقابل روش تشخیص مد، قادر است مدهای مختلف راه رفتن را بر اساس طبیعت چرخهای آنها، تشخیص داده و بر پایه تشخیص داده شده، کنترلر بین مدها سوئیچ پیدا می-کند. به منظور طبقهبندی مدهای راه رفتن، معمولا تکنیکهای شناسایی الگو و کلسیفایرها بهکار برده میشوند. کلسیفایرها با استفاده از مجموعهای از دادههای الکترومایوگرافی آموزش داده شده و به صورت اتوماتیک مرزهای بین کلاسها تعیین میشود.
هارگو و گلدفرب به همراه همکارانشان [5] ، این روش را بر پای واندربلت پیادهسازی کردهاند. روش دوم بیشتر از روش اول در سیستم کنترلی رباتها بهکار رفته است و اکثرا در رباتهای بالاتنه پیادهسازی میشود. به عنوان مثال چو و همکارانش [6]، با ترکیبی از دو روش آنالیز تفکیککننده خطی و نگاشت خودسازمانده4، ابعدا ویژگی-های حوزه فرکانسی بدست آمده به منظور کاهش هزینههای محاسباتی تقلیل داده و به کمک آنالیز تفکیککننده خطی حرکات مختلف یک ربات دست چند-منظوره را با استفاده از سیگنالهای الکترومایوگرافی طبقهبندی کرده است.
در این مقاله روشی برای تخمین پیوسته متغیرهای سینماتیکی مفاصل مچ و زانو از سیگنالهاب الکترومایوگرافی ارائه شده است. متغیرهای تخمین زده شده نیز به عنوان هدف برای سیستم کنترلی درنظر گرفته شده و نهایتا موقعیت زاویهای مفاصل مذکور که معادلات دینامیکی حاکم بر آن غیرخطی است، به روش مود لغزشی5 کنترل شده است.
.2 متدولوژی
به منظور کنترل موقعیت مفاصل، سلسله مراتبی باید طی شود. در مرحله نخست دادههای مورد نیاز که عبارتند از سیگنالهای مایوالکتریک و موقعیت زاویه مفاصل، باید ثبت گردند. پس از آن مرحله پردازش سیگنالها آغاز میشود. در این مرحله به منظور کاهش ابعاد و پیچیدگی سیگنالهای الکترومایوگرافی، پنجره-پنجره کردن سیگنالها و استخراج ویژگیهای هر پنجره انجام شده است. سپس شبکه عصبی مورد نیاز با هدف تخمین موقعیت زاویهای مفاصل، طراحی و آموزش داده شده است. به علاوه به منظور کنترل اجزای پا، لازم است که معادلات دینامیکی آن استخراج شود. در آخرین گام نیز با استفاده از روش مد لغزشی کنترل موقعیت انجام شده است.
.1,2 دادهبرداری
همان طور که ذکر شد، اولین گام دادهبرداری، ثبت سیگنالهای مایوالکتریک از ماهیچههای پا در طول انجام فعالیت میباشد. دستگاه استفاده شده برای ثبت سیگنالهای الکترومایوگرافی، ای.ویو نام دارد. این دستگاه توانایی انتقال دادهها را به صورت بیسیم به کامپیوتر دارد. الکترودهای بهکار رفته در این دستگاه از نوع الکترودهای سطحی هستند که به صورت ساختار دوقطبی بر محلهای مناسبی از پوست نصب میشوند. همه الکترودها به واسطه سیم به یک فرستنده متصل شدهاند. این فرستنده سیگنالهای مایوالکتریک را با فرکانس 1500 هرتز دادهبرداری و به اندازه 100 دسیبل بزرگنمایی میکند و از طریق بلوتوث به کامپیوتر ارسال میکند.
همزمان و به موازات ثبت سیگنالهای الکترومایوگرافی، لازم است موقعیت زاویهای اجزای پا در حین انجام فعالیت، ثبت و دادهبرداری شوند. از متغیرهای سینماتیکی به منظور آموزش سیستم کنترلی در تخمین موقعیت و سرعت زاویه مفاصل استفاده خواهد شد. در همین راستا از سنسورهای دنبال کننده حرکت1 به منظور ثبت موقعیت زوایهای اجزای پا استفاده شده است.
سه تعداد از این سنسورها را بر پا، ساق و ران کاربر نصب کرده تا بتوان جابجایی زوایهای مفصلهای مچ و زانو را - از تفاضل دوبهدو آنها - بدست آورد. دادههای خام فرستاده شده از سنسورهای موقعیت با فرکانس 100 هرتز دریافت و ثبت میگردند. به منظور در اختیار داشتن همه سیگنالها در کنار هم، به صورت همزمان و بدون اختلاف زمانی، از نرمافزار لبویو2 استفاده شده است. این نرمافزار کلیه دادهها را جمعآوری و در یک فایل تکست ذخیره میکند.
به منظور ثبت سیگنالهای مایوالکتریک، از کلیه ماهیچههای موجود در پا از 7 تای آنها که بیشترین نقش را در راه رفتن برعهده دارند، دادهبرداری شده است. این هفت ماهیچه عبارتند از رکتوس فموریس3 ، وستس مدیالیس4 ، وستس لترالیس5 ، بایسپ فموریس6 ، تیبیالیس انتریور7 ، گاسترونیمیس مدیالیس8 و گاسترونیمیس لترالیس.9 سه ماهیچه اول در اکستنشن10 زانو و ماهیچه چهارم در فلکشن11 زانو نقش دارند.
ماهیچه تیبیالیس انتریور درسیفلکشن مچ و دو ماهیچه گاسترونیمیس مدیالیس و گاسترونیمیس لترالیس پلانتارفلکشن مچ را موجب میشوند. محل نصب الکترودها بر اساس توصیههای موجود در مرجع [7] مشخص گردیده است. قبل از چسباندن الکترودها، لازم است که موهای روی پوست تراشیده شده باشد. زیرا قرار گرفتن هرگونه واسط بین الکترود و پوست باعث ایجاد نویز در سیگنال میشود.
