به کارگیری معیار انرژی در کنترل هوشمند عملگرهای Servo در مکانیزم های توانبخشی با استفاده از منطق فازی

به کارگیری معیار انرژی در کنترل هوشمند عملگرهای Servo در مکانیزم های توانبخشی با استفاده از منطق فازی

غلام عباس تاجیک، فرهاد عظیمی فر، شهرزاد آذری

1. کارشناس ارشد، گروه مهندسی مکانیک، واحد شهرمجلسی، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران
2. استادیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد شهرمجلسی، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران
3. F.azimifar@iaumajlesi.ac.ir
4. استادیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد شهرمجلسی، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران

چکیده

به کارگیری معیار انرژی در کنترل هوشمند عملگرهای Servo در مکانیزم های توانبخشی با استفاده از منطق فازی نوآوری اصلی این تحقیق می باشد. برای بهبود عملکرد و افزایش کیفیت و راندمان توانبخشی در مکانیزم های توانبخشی از عملگرهای servo استفاده شده است. دو حالت کنترل موقعیت و کنترل گشتاور به صورت فازی برای مکانیزم در نظر گرفته می شود. نحوه کنترل بدین صورت است که میزان توانمندی بیمار بواسطه استفاده از سنسورهای مختلف که عمدتا از نوع پیزوالکتریک می باشند سنجیده می شود و پنج سطح برای آن درنظر گرفته خواهد شد. سپس کنترلر میزان حرکت هر یک از محورها و همچنین گشتاور اعمالی به بیمار را تنظیم می نماید. مزیت اصلی پیاده سازی این نوع کنترل بر روی مکانیزم های توانبخشی آن است که الگوهای درمانی و فیزیوتراپی با توجه به سطح توانایی بیمار انجام می شود و سیستم به صورت هوشمند خود را با شرایط بیمار وفق می دهد. معیار اصلی برای کنترل مکانیزم، معیار انرژی کمینه می باشد که نوآوری اصلی این تحقیق محسوب می گردد.

1-مقدمه

اخیرا مکانیزمهای متفاوتی جهت توانبخشی ستون فقرات مورد بررسی واقع شده است. ایراد عمده این مکانیزم ها عدم وجود سیستم کنترل هوشمند بر روی آنها میباشد که این امر باعث وابستگی تاثیر آن به مهارت فیزیوتراپ خواهد شد. از طرفی لازم است مکانیزم به گونه ای عمل کند که متناسب با وضعیت فیزیکی بیمار باشد. بدین معنا که هر چه روند بهبودی بیمار بیشتر می گردد میزان کمک مکانیزم به بیمار کاهش یابد تا بیمار سهم بیشتری در انجام حرکات ایفا کند که این عمل سبب تسریع در بهبودی بیمار خواهد شد. بنابراین لازم است با به کارگیری یک سیستم کنترل تطبیقی، عملکرد مکانیزم وابسته به خروجی سنسور گردد (سنسورهای نیرویی) که بتواند هوشمندانه میزان گشتاور عملگرها را تحت کنترل در آورد.

جنبه های مجهول تحقیق شامل موارد زیر است:

• انتخاب نوع کنترلر مناسب
• انتخاب متغیرها و پارامترهای کنترلر
• بررسی امکان پیاده سازی سیستم کنترلر تطبیقی
• بررسی امکان پیاده سازی کنترلر ترکیبی – هیبریدی

2-پیشینه تحقیق

توانبخشی در دو حوزه به بیماران انجام می شود که شامل بازیابی بدن از صدمات وارده از جراحات و توانبخشی ناراحتی های عصبی می باشد. روبات توانبخش اندام فوقانی برای کمک به افرادی که دارای ناراحتی هاای فوقاانی می باشند استفاده می گردد.

1. تیری کلر و همکاران یک دستگاه کمک رسان بازو را برای توان بخشی اندام فوقانی ساخته اند که در کلینیک ها یا به صورت شخصی مورد استفاده قرار می گیرد .
2. (ولی فاقد شبیه ساز  کامپیوتری است و فیزیو تراپ شخصا پیشرفت را دنبال می کند.) اوکادا و همکاران به واسطه روش کنترل امپدانس یک سیستم رباتیک با دو درجه آزادی طراحی کردند که در آن اطلاعات موقعیت و نیرو دریافت می شود و برای تقلید سیستم روباتیک از حرکت مربوطه استفاده می گردد.
3.  مقامیر و همکاران یک سیستم مولتی ایزو را طراحی و پیاده سازی کردند. این سیستم قادر به انجام تمرینات کمکی ، مقاومتی منفعل بود . همچنین این سیستم دارای یک درجه آزادی است و برای حرکات اندام زانو و خم و راست شدن استفاده می شود. سیستم مولتی ایزو با استفاده از روش سنتی کنترل نیرو، موقعیت و کنترل سرعت با تکنیک های کنترل فازی کار می کند
4. برن هارت و همکاران سیستم رباتیک توانبخشی راه رفتن را توسعه دادند . این سیستم برای ورزش درمانی برای اندام تحتانی برای انجام برخی اعمال تکراری مقاومتی توسعه داده شد .
5.  پارشانت کومار و همکاران کنترل کننده ربات ایستاده موازی برای توانبخشی مچ پا را با استفاده از الگوریتم ژنتیک بهینه سازی نمودند .
6.  سزار همبرتو و همکاران ربات توانبخشی خوابیده ای را برای اندام پایینی طراحی و شبیه سازی نمودند که طرز کار آن با کشش و پرس زانو و عضلات ران بود
7.  پین چان کائو و همکاران تاثیرات افزایش خطای پایه در مقابل کاهش خطای تمرینات در ربات توانبخشی لوکومات را بر سلامتی شخصی بیمار بررسی نمودند .
8.  یو و همکاران ربات توانبخشی ایستاده برای اندام تحتانی طراحی نمودند که قادر بود با توجه به سیگنال ارسال از عکس العمل ربات روند درمان را تغییر دهد .
9. ژانگ و همکاران ربات توانبخشی پوشیدنی اسکلتی طراحی و توسعه دادند که قادر است بیمار ناتوان را در حین حرکت توانبخشی کند .
10. شاهید حسین و همکاران یک ربات برای توانبخشی اندام پایینی و راه رفتن با تردمیل طراحی  و پیاده سازی نمودند .
11.  گزمان و همکاران یاک ربات خوابیده برای درمان بیماران مبتلا به Hemiplegic را طراحی و شبیه سازی نمودند .
12.  سید محماد علای بندگان و همکاران ربات توانبخشی شبیه سازی شده دست برای بیماران سکته مغزی را توسط شبکه عصابی و الگوریتم تکاملی بهینه سازی نمودند .
13. وحاب امینی و همکاران سیستم بهینه و هوشمندی بر پایه یک مکانیزم شش درجه آزادی برای توانبخشی اندام پایینی طراحی و شبیه سازی نمودند
14. طاهر کبودی و همکاران یک مکانیزم یاک درجه آزادی را برای توانبخشی زانو مدل سازی کردند

3-بیان روش کار

در این تحقیق یک مکانیزم 5 درجه آزادی صفحه ای به منظور انجام توانبخشی طراحی و ساخته شده است. برای سیستم محرکه هر قسمت از موتورهای Servo استفاده گردیده است و می توان از سیستم های کنترل نیرو یا گشتاور برای آن ها استفاده نمود. بهترین روش برای کنترل این سیستم ها استفاده از منطق فازی می باشد.از مشکلات اصلی توانبخشی بیماران می توان به موارد زیر اشاره کرد:

•  نیاز به دوره زمانی طولانی برای درمان
• محدودیت در انجام تمرینات توانبخشی
• پر هزینه بودن روند درمان

   شکل1: تصویری از مکانیزم توانبخشی ساخته شده

برای کنترل سیستم از منطق فازی استفاده می شود که توابع عضویت آن را در شکل های زیر برای دو حالت کنترل گشتاور و کنترل موقعیت مشاهده می نمایید:

شکل :2 توابع عضویت فازی

شکل:3 کنترل موقعیت

شکل:4 کنترل گشتاور

4-نتیجه گیری

با  پیاده سازی سیستم کنترل هوشمند بر روی مکانیزم توانبخشی فوق نتایج مهم زیر حاصل گردید:

• انجام طیف وسیعی از تمرینات توانبخشی با دقت بالا برای بیماران
• انجام حرکات به صورت هوشمند و با توجه به توانایی بیمار
• جلوگیری از ایجاد حرکات ناگهانی و آسیب دیدگی بیمار
• تعیین وضعیت عضلات بیمار و مشاهده روند بهبودی وی
• کاهش مدت زمان درمان و هزینه درمان بیماران
• جلوگیری از خطاهایی که ممکن است توسط فیزیوتراپیست ایجاد شود
•  انجام حرکات تکراری که برای فیزیوتراپیست خسته کننده و کسل آور است
•  انجام حرکات توانبخشی برای چند بیمار به صورت همزمان

5-مراجع

WilliamsGR,JiangJG,MatcharDB,SamsaGP.Incidence and occurrence of total(firsteverandrecurrent) stroke.Stroke1999;30(12):2523–8.

PageSJ,LevineP,LeonardAC.Modified constraint induced therapy inacute stroke:arandomized controlled pilotstudy.Neuro rehabilNeuralRepair2005;19(1):2732.

MirelmanA,BonatoP,DeutschJE.Effects of training with a robot virtual reality system compared with a robot alone on the gait of individual safter Stroke2009;40(1):169–74.

LamontagneA,FungJ.Fast erisbetter-implications for speed-intensivegaittrain ingafter stroke. Stroke 2004

; 35 (11):2543–8.

ThielmanGT,DeanCM,GentileAM.Rehabilitation of reaching after stroke:Taskrelatedtrainingversusprogressiveresistiveexercise.ArchPhysMedRehabil2004;85(10):161318. [6]ProboszK,WcisloR,OtfinowskiJ,SlotaR,KitowskiJ,PisulaM,etal.Amultimediaholisticrehabilitationmethodfo rpatientsafterstroke.CyberpsycholBehav2009;12(5):646–7. [7]JorgensenHS,NakayamaH,RaaschouHO,OlsenTS.Recoveryofwalkingfunctioninstrokepatients:the Copenhagenstrokestudy.ArchPhysMedRehabil1995;76(1):27–32.