فهرست مطالب:
بروزرسانیشده در فروردین 6, 1401
اگزواسکلتون رباتی است که به وسیلهی یک انسان پوشیده شده و ضمن ایجاد یک پوشش محافظ برای بدن فرد میتواند با افزایش قدرت و مقاومت عضلات، فرد را در حرکتها، مانورها و همچنین حمل و جابجایی بارها کمک و به افراد ناتوان در حرکت کمک نماید.
ازلحاظ علمی واژهی لاتین Exoskeleton، به پوشش سخت بیرونی بدن حشرات و سختپوستان اشاره میکند، این پوشش خارجی، ضمن در برگرفتن ارگانیسمهای داخلی بدن حشره یا سختپوست، موجود را در برابر آسیبها، فشارها و بهطور کل محیط اطراف آن حفاظت میکند.
این لغت را از این مبحث علمی قرض میگیریم و رباتی را که بهوسیلهی یک انسان پوشیده شده و ضمن ایجاد یک پوشش محافظ برای بدن فرد میتواند در حمل و جابجایی بارها به آن فرد کمک کند را در زبان فارسی سخت پوش انسانی مینامیم.
هدف از اگزواسکلتونها
هدف از اگزواسکلتونهای پایینتنه فائق آمدن بر محدودیتهای رباتهای چندپا با افزودن یک اپراتور انسانی به سیستم است.
این سیستم رباتیک از یک چارچوب شبیه کولهپشتی تشکیل یافته که بر روی دو پای رباتیک قرارگرفتهاند، همانطور که شکل 2 نشان میدهد، این دو پای رباتیک به پاهای پوشیدهی ربات نیز متصل میشوند.
اگر مکانیزم رباتیک در خدمت عامل انسانی آن قرار گیرد بسیاری از توانمندیهای فوقالعاده پیشرفتهی انسانی در درک محیط، مسیریابی و حفظ تعادل با بسیاری از توانمندیهای مکانیکی ربات در هم میآمیزد و همافزایی بسیار مناسبی را ایجاد میکند؛
بنابراین سیستم اگزواسکلتونهای پایینتنه تلاش میکند که قدرت و پایداری رباتهای پیشرفته را با هوشمندی، مهارت و ظرافت عامل انسانی در هم بیامیزد.
اگزواسکلتونهای انسانی سختی حمل بار را برای انسان کاهش داده و یا کلاً حذف میکنند.
بدن انسان و حرکت آن با استفاده از دو پا، مکانیزم بینظیری برای تحمل بارها و حرکت در اطراف با چالاکی بالا فراهم میکند.
این سیستم طبیعی قابلیت سازگاری با محیطهایی را دارد که دستگاههای مبتنی بر چرخ در آن کارایی ندارند و یا استفاده از آنها بسیار مشکل هست.
حمل بارهای مختلف، جزئی جدا ناپذیر از زندگی روزانهی هر فردی است.
برای سربازان جنگی و نیز امدادرسانان حمل بارهای مختلف بسیار حیاتی و جزئی از وظایف آنها میباشد.
متأسفانه، حمل بار نهتنها خستهکننده است بلکه میتواند بهطور بالقوه باعث بروز خطرات و صدمات و صدمات جبرانناپذیر به بدن افراد شود.
یک اگزواسکلتون انسانی توسط فرد پوشیده شده و بارهایی مثل یک کولهپشتی سنگین که پیش از این باید توسط سیستم اسکلتی عضلانی خود فرد تحمل میشد را تحمل میکند.
در عین حال اگزواسکلتون نباید به گونهای عمل کند که مانعی برای حرکات طبیعی فرد مانند ایستادن، نشستن، راه رفتن و دویدن ایجاد نماید، همچنین باید تضمین کند که نیروهای مربوط به بار همیشه از طریق ساختار اگزواسکلتون منتقل شوند نه از طریق بدن انسان.
اگزواسکلتون این مزیتها را دارد که خستگی ناشی از حمل بار را برای فرد کاهش داده و میتواند فاصله و زمان قابلتحمل برای حمل بار را افزایش دهد.
همچنین فردی که اگزواسکلتون را میپوشد از آسیبهای مربوط به تنشهای اعمالی به سلسله اعصاب، عضلات، استخوانها و مفاصل که ممکن بود به خاطر حمل بارهای سنگین پیش بیایند در امان نگه میدارد.
هزینهای که در قبال این مزایای برجسته باید پرداخت کنیم این است که یک وسیلهی فیزیکی داریم که در فاصلهی بسیار نزدیک با بدن انسان قرارگرفته و نیازمند منبع توانی است که دائماً نیاز به تعویض و یا شارژ شدن دارد و کلیت ساختار نیز میتواند ازلحاظ فیزیکی دچار عیب و اشکال شده و دیگر قادر به حمل بار نباشد و یا مانع بعضی مانورها و حرکتها توسط پوشیدهی آن گردد.
انگیزهها
در بسیاری از کارها زمانی که استفاده از یک ابزار خارجی و یا یک وسیلهی چرخدار مثل ارابه یا چرخدستی امکانپذیر نیست و یا غیرممکن است باید خودمان بار را حمل کنیم.
زمانی هم که باری را حمل میکنیم معمولاً نیاز داریم که کارهای دیگر را نیز در عین حمل بار انجام دهیم برای مثال دری را بازکنیم و یا چیزی را جابجا کنیم.
برای این منظور میتوانیم از یک کولهپشتی که با یک کمربند به پشت ما بستهشده است و یا هر سیستم دیگری که بار را بر روی بدن ما حفظ کند استفاده کنیم.
طراحی سیستم رباتیکی که انعطافپذیری یک باربند که به بدن انسان چسبیده باشد را داشته و در عین حال مزاحمتی برای انسان ایجاد نکند و همچنین بتواند نیاز به اعمال نیرو توسط اعضای بدن و صرف انرژی برای حمل آن را حذف نماید، هدف کلی تحقیقات در این زمینه است.
نسلهای مختلف اگزواسکلتونها که در این آزمایشگاههای مختلف در سطح دنیا توسعه دادهشدهاند و در این پایاننامه به آنها اشاره خواهد شد برای حفاظت زرهی پوشیدهی آن طراحی نشدهاند، اما نسلهای بعدی آنکه هماکنون در حال طراحی و توسعه میباشند، قابلیتهای مربوط به یک اگزواسکلتون طبیعی مثل یک حشره را نیز دارا میباشند.
برخلاف انواع فانتزی و تخیلی این رباتها که فیلمسازان و نویسندگان داستانهای علمی تخیلی به آن میپردازند، رباتهایی که در این مرکز تحقیقاتی طراحی و ساخته میشوند، قرار نیست که نیروها و یا سرعتهای مافوق بشری را برای پوشیدهی آن به همراه بیاورند بلکه این رباتها جهت کاربردهای عملی در حمل بار طراحیشدهاند.
از علتهای این هدفگذاری به موارد زیر میتوان اشاره نمود:
1) حذف سختی و مشقت حمل بار بسیاری از مشکلات واقعی و موجود مربوط به خستگی و آسیبهای ناشی از آن را در بسیاری از کاربردها حذف میکند.
2) استفاده از وسیلهای که بتواند قدرت فیزیکی انسان را بهصورت فوقالعادهای افزایش دهد، مستلزم آن است که فرد پوشیدهی اگزواسکلتون در موقعیتهایی قرار گیرد که در صورت درست عمل نکردن اگزواسکلتون در معرض آسیبهای جسمانی جدی قرار گیرد.
3) اگزواسکلتونی که برای سرعتهای بالا طراحیشده باشد قاعدتاً باید عضلات بدن پوشنده را مجبور نماید که با همان سرعت حرکت کنند که البته بدن انسان برای چنین حرکاتی ساخته نشده است.
کاربردها
حمل بار برای سربازان:
پروژهی ربات اگزواسکلتون پایینتنه در دانشگاه کالیفرنیا (برکلی) در ابتدا با سرمایهگذاری آژانس پروژههای تحقیقاتی پیشرفتهی نظامی که یک سازمان سرمایهگذاری زیر نظر وزارت دفاع آمریکا است شکل گرفت و نیروی پیادهنظام ارتش آمریکا مشتری اصلی این ربات میباشد.
سربازها بهطور معمول بارهای سنگین را در مسافتهای طولانی حمل میکنند.
در مقالات بسیاری ارتباط مستقیم بین حمل بارهای سنگین و تلفات و مشکلات ناشی از آن و عملکردهای نامناسب و گاه مرگهای بیدلیل سربازان ناشی به خاطر آن، بررسیشده است.
در اکثر دستورالعملهای نظامی، بیشینهی باری که توصیه میشود توسط یک سرباز برای رژه در یک مسافت 33 کیلومتری حمل شود، 22 کیلوگرم است.
اگرچه آمار نشان میدهد، بار واقعی که معمولاً توسط یک سرباز در میدان جنگ حمل میشود بین 40 کیلوگرم تا 73 کیلوگرم است.
این آمار نشان میدهد که بارهای حمل شده توسط سربازان حدوداً 55 تا 100% وزن خودشان میباشد در حالی که استانداردها میگویند وزن بار حداکثر باید 30 تا 40% وزن بدن باشد.
بارهایی که توسط سربازان حمل میشود نهتنها خستهکننده است بلکه در درازمدت تهدیدی برای سلامتی آنها نیز میباشد. نیاز برای ابزارها یا روشهایی که این بارها را برای سربازان کاهش دهد بینهایت واضح و آشکار است.
شکل 3 تاریخچهای از میزان بارهای حمل شده توسط سربازان واحد مختلف پیادهنظام آمریکا و دیگر کشورها را نشان میدهد.
برخلاف پیشرفتهای زیادی که در طول این صده، در فنّاوری ساخت مواد سبکوزن بهدستآمده است، وزن کل بارهای حمل شده توسط سربازان افزایشیافته است.
تا حدی که برای مثال در طول جنگ جهانی اول سربازان بارهایی در حد 85% وزن خود را حمل میکردهاند.
طبق آمارها تغییرات اخیر در نحوهی جنگها از جنگهایی با وسعتهای بالا به جنگهای تنبهتن و چریکی باعث خواهد شد که سربازان مجبور به حمل بارهای سنگینتری نسبت به قبل شوند.
کاربردهای غیرنظامی
اگزواسکلتونها کاربردهای زیادی علاوه بر حمل بار برای سربازان دارند. این رباتها میتوانند در عملیات امداد و نجات و حمل وسایل، غذا، آب و نیازهای دارویی به مناطق آسیبدیده و صعبالعبور به کمک امدادرسانان بیایند.
ارتقاء در توانایی حمل بار این امکان را به امدادرسانان میدهد تا افراد آسیبدیده را از محل حادثه به پناهگاهها انتقال دهند.
به عبارتی هر امدادرسان خود بهصورت یک آمبولانس تکنفره عمل میکند.
به همین ترتیب یک اگزواسکلتون سربازان را قادر میسازد تا وسایل تنفسی و تجهیزات حیاتی که با حفظ جان سرباز در ارتباطاند را بدون خستگی و برای مدت بیشتری حمل کنند.
از دید صنعتی یک اگزواسکلتون را میتوان تقریباً در هر سناریویی که نیاز به حمل تجهیزات، ظروف و بستههای بزرگ بین انبارها و خط تولید است به کار گرفت.
میتوان از اگزواسکلتون برای تحویل بستههای پستی در مسیرهای صعبالعبور و یا زمانی که نیاز است بستههای پستی خانه به خانه تحویل داده شوند، استفاده نمود.
کارگران حمل بار میتوانند برای کاهش آسیبها به ستون فقرات و عضلات و استخوانهای پا از اگزواسکلتونها استفاده نمایند.
از اگزواسکلتونها همچنین میتوان در فیلمبرداری و یا صدابرداری برای برداشتن دوربین و میکروفنها و تجهیزات صدابرداری سنگین استفاده نمود.
والدین کودکان میتوانند با پوشیدن اگزواسکلتونهای ساده، کودکان خود را بر پشت خود حمل نمایند، بدون اینکه وزن آن را احساس کنند.
بهطور کل در هر کاربردی که یکبار باید بهصورت فیزیکی جابجا شود استفاده از اگزواسکلتونها میتواند سختی و آسیبهای این کار را برای انسان به حداقل برساند.
کاربردهای پزشکی
تاکنون کاربردهای رباتهای اگزواسکلتون برای افراد سالم و بهعنوان وسیلهای برای افزایش تواناییهای آنها مورد تحقیق و پژوهش قرارگرفته است.
تصور این موضوع به هیچوجه دور از ذهن نیست که یک اگزواسکلتون را میتوان بهعنوان یک عضو یا اندام کمکی به کار گرفت. اندام کمکی وسیلهای برای نگهداشتن، اصلاح و یا همراستا کردن اندام و مفاصل ضعیف یا معلول هست.
ساختار صلب یک اگزواسکلتون میتواند بهصورت یک چارچوب برای تحمل اندام پایینتنه به کار گرفته شود.
اگر تغییرات مناسبی در اگزواسکلتونها ایجاد شود میتوان از آنها بهعنوان یک عضو جانشین برای افرادی که بعضی از اندام خود را از دستدادهاند و یا در قسمت پایینتنه دچار قطع عضو شدهاند استفاده نمود.
تغییرات باید به گونهای باشد که اگزواسکلتون در این حالت بتواند بهجای تحمل یک وزنه خارجی وزن خود بدن را تحمل نماید.
منابع :
[1] http://bleex.me.berkeley.edu/
[2] J. R. Steger, “A design and control methodology for human Exoskeletons, dissertation submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering, University of California, Berkeley, Spring 2006
[3] J. J. Knapick, K. L. Reynolds, and E. Harman, “Load carriage using packs: A review of physiological, biomechanical, and medical aspects,” Applied Ergonomics, vol. 27 (3), pp. 207- 216, 1996.
[4] J. J. Knapick, “Physiological, Biomechanical and Medical Aspects of Soldier Load Carriage,” NATO Res. and Tech. Org. Human Factors and Medicine Panel, Kingston, Canada, pp. 34-52, 2000.
[5] http://www.ispo.ca/ “International Society for Prosthetics and Orthotics (ISPO)”