المبادئ الهندسية في روبوتات إعادة التأهيل
ستكون فائدة الجهاز الروبوتي التأهيلي والمساعد دائمًا محدودة بسبب تصميمه، إن الهيكل الميكانيكي السلبي للروبوت وقدرات الاستشعار وأنواع التشغيل ومنطقة التحكم كلها قضايا رئيسية لكل من الأداء والسلامة، يمكن للطريقة التي يتفاعل بها الروبوت مع الإنسان جسديًا ومعرفيًا أن تحدد فعاليته، القصد من ذلك هو إعطاء نظرة عامة على الهندسة الروبوتية لإعادة التأهيل، لتمكين أخصائي طبي من التحدث مع المهندسين الذين يطورون مثل هذه الأجهزة وتثقيف المعالجين الفيزيائيين والمهنيين الذين يواجهون تحديًا في مهمة اختيار التكنولوجيا الروبوتية فيما يتعلق بالقضايا ذات الصلة.
ديناميكيات الروبوت وعلم الحركة والتحكم
يعد الموقف والقوة والتحكم في المؤثر النهائي للروبوت من الاهتمامات الرئيسية أثناء مهام الحركة البشرية وبالتالي الفئات الرئيسية في مجال الروبوتات، سيتم تعريف مصطلح المستجيب النهائي بدقة أكبر ومع ذلك، افترض الآن أنها مجرد أداة مثيرة للاهتمام (على سبيل المثال، طرف الإصبع) توجد في نهاية طرف يحتمل أن تكون معقدة وتتفاعل مع شيء ما في العالم الخارجي (على سبيل المثال، مفتاح على لوحة المفاتيح)، يعتمد نجاح التأثير النهائي على العلاقة بين القوة والحركة.
حدسيًا، قد يفترض المرء أن الهدف الأكثر فائدة لمعظم المهام الحركية هو التحكم في كل من القوة والموضع. في الحياة اليومية، يريد الأفراد الاتصال بدقة بالأشياء، لكنهم يريدون أيضًا تطبيق قوى الاتصال المناسبة. على سبيل المثال، إذا كان المستجيب النهائي للاهتمام هو طرف إصبع بشري وكان الهدف هو النقر على نوتة موسيقية على لوحة مفاتيح البيانو، فيجب أن يكون لدى المرء وضع دقيق لضرب النغمات الصحيحة ولكن يجب على المرء تطبيق المستوى الصحيح من القوة بحيث يمكن لكل نغمة يتم عزفها بصوت عالٍ (موطن) أو بهدوء (بيانو) حسب الرغبة.
بطريقة ما، تتطلب فيزياء العالم الحقيقي مقايضة لتحقيق كل من الدقة الموضعية والقوة المرغوبة كأهداف متزامنة. من المستحيل عمومًا تحقيق كل من التحكم الدقيق في الموضع والتحكم الدقيق في القوة على طول نفس اتجاه (محور) الحركة، ربما باستثناء المواقف المصطنعة بشكل خاص والتي تكون فيها البيئة معروفة تمامًا ويتم اختيار الأهداف بشكل مصطنع.
على سبيل المثال، تخيل أن شخصًا ما يرغب في الضغط على سطح وسادة، حتى يشعر بمقدار رطل واحد من القوة وأنه يرغب أيضًا في الضغط لأسفل حتى تصبح يده 1 بوصة تحت الراحة.
الوضع الهجين والتحكم في القوة
في العديد من مواقف العالم الحقيقي، يُطلب من الإنسان التحكم في كل من القوة والموقف أثناء المهمة على سبيل المثال، مهمة الضغط على زر، في هذه المهمة يُطلب من الإنسان التحكم في موضع الإصبع في البعد x بدقة والتحكم في نفس الوقت في القوة المطبقة على الزر في الاتجاه y.
لا يمكن تحديد كل من الموضع والقوة بشكل مستقل على طول المحور السيني ولا يمكن للمرء أن ينجز كلاهما للحركة على طول المحور الصادي. ومع ذلك، من الممكن اختيار أي من الوضع أو القوة للتحكم في x واختيار إما الموضع أو القوة للتحكم في y، على سبيل المثال، نتحكم في الموضع في x والقوة في y.
هناك مجموعة واسعة من المهام التي يرغب فيها الفرد في التحكم في القوة في اتجاه واحد أثناء التحكم في موقع في الطائرة عمودي على هذا الاتجاه، كما تشمل الأمثلة الكلاسيكية غسل النافذة أو صنفرة الأرضية أو كتابة نص أو رسم لوحة قماشية. في كل حالة، يحتاج الفرد إلى الضغط على سطح بقوة محكومة أثناء تتبع المسار المطلوب للمواقف عبر السطح.
ينجز البشر مثل هذه المهام بسهولة إلى حد ما لأنه خلال التطور الحركي المبكر، تعلم الأطفال أن يصفوا بسلاسة استراتيجيات التحكم في المحرك للتحكم في القوة والتحكم في الموقف مع القليل من التفكير النشط على ما يبدو. الوضع الهجين والتحكم في القوة هو أسلوب معروف جيدًا يستخدم لإنجاز هذا التفاعل في ذراع الروبوت، لا تزال تقنيات التحكم هذه تمثل تحديًا هندسيًا كبيرًا عندما تكون المعلمات البيئية في العالم الحقيقي، مثل معامل قوة الربيع غير معروفة قبل الاتصال.
الآن، تخيل أنه بدلاً من الوسائد والأزرار، يتفاعل الروبوت القادر مع الإنسان كما في حالة التفاعل مع الوسائد، يميل البشر المختلفون إلى مقاومة حركات الروبوت بكميات مختلفة من القوة، سيتوقع الروبوت المصمم جيدًا استجابة الإنسان قبل حدوث تفاعل بين الإنسان والروبوت، كما يتوقع البشر هذا التباين الطبيعي في استجابة الإنسان بشكل حدسي وهذا يوجه القرارات حول كيفية التفاعل مع الآخرين في الحياة اليومية.
على سبيل المثال، قد يقرر المرء استخدام أسلوب حركة مختلف تمامًا لمصافحة رياضي محترف مقارنة بطفل يبلغ من العمر عامين أو طفل يبلغ من العمر 102 عامًا. يعرف الفرد حدسيًا أنه يتحكم في جوانب مهمة حول كل من الموضع والقوة في تحريك اليد أثناء المصافحة. من وجهة نظر المهندس، تتمتع الأطراف البشرية بحركات حركية وديناميكيات واستشعار وتحكم متطورة تسمح للأفراد بأداء مجموعة واسعة من المهام – عادةً دون الحاجة إلى تفكير عالي المستوى.
حركية الروبوت
تحدد كل من حركيات الإنسان والروبوت كيفية تعيين زوايا المفاصل لمواقع الأطراف، إنها وصف هندسي لنظام يعطي علم الحركة العلاقات الرياضية من زوايا المفاصل إلى مواضع نقاط معينة على الأطراف أو الجسم. في مشاكل التلاعب بالروبوت، غالبًا ما يهتم المرء في المقام الأول بكيفية تفاعل أداة معينة أو القابض أو اليد المجسمة الموجودة في نهاية الطرف مع البيئة.
عادةً ما يُشار إلى هذا الجزء النهائي من طرف الروبوت باسم المستجيب النهائي، من المفيد جدًا اعتبار المستجيب النهائي بشكل رسمي نقطة معينة تقع على رابط بالقرب من نهاية طرف الروبوت، جنبًا إلى جنب مع اتجاه الدوران لهذا الارتباط. على سبيل المثال، قد يكون رأس قلم رصاص يستخدم للرسم، الهدف التقليدي في روبوتات المصنع هو الحصول على مستجيب نهائي لتتبع المسار المرجعي المرغوب بمرور الوقت، مثل اتباع مجموعة من الحركات الموضعية المرغوبة.
لقد أصبح المهندسون جيدًا في قيادة مواقع أطراف الروبوت في لغة مشتركة، ومع ذلك، عندما يرى المرء مهمة ما يتم إجراؤها بطريقة متكررة بشكل مفرط، يمكن للمرء أن يشير بشكل انتقاص إلى مثل هذه الحركات على أنها تبدو آلية، كما تتطلب العديد من مهام العالم الحقيقي التحكم في كل من الموقع والقوة، بالإضافة إلى بعض المعلومات الاستخبارية حول سياق الموقف، التحكم في الوضع وحده ليس دائمًا مناسبًا في مجال الروبوتات.
في روبوتات إعادة التأهيل، غالبًا ما يكون من المهم تحديد ليس فقط مكان وجود المستجيب النهائي للروبوت ولكن أيضًا ما هي القوى التي يطبقها وأين توجد النقاط المتقطعة بين جسم الثيروبوت والمستجيب النهائي. على سبيل المثال، يجب أن يكون الاتصال مع الإنسان لطيفًا وقد يكون من المهم أيضًا ربط الإنسان بطرف الروبوت عند نقاط اتصال متعددة لضمان راحة المريض وتجنيد مجموعات العضلات الصحيحة وتحقيق النطاق الصحيح للحركة لمختلف المفاصل.
في علم الروبوتات، يهتم المهندسون بكل من الحركية الأمامية، التي تعين زوايا المفاصل إلى موضع المستجيب النهائي والحركية العكسية وهي مشكلة تحديد مجموعة الزوايا التي يجب استخدامها للحصول على المستجيب النهائي في المطلوب، الموقف والتوجه.
ديناميكيات الروبوت
الديناميكيات هي دراسة كيفية تأثير القوى على الحركة في النظام، علم الحركة لا يهتم بالقوى. بدلاً من ذلك، يصف علم الحركة العلاقات الهندسية فقط والمفهوم الأساسي في الديناميات هو أن القوة تساوي الكتلة مضروبة في التسارع، تُعرف هذه العلاقة باسم قانون نيوتن الثاني للحركة، وهذا يعني أن الجسم في حالة راحة.
سيبقى في حالة سكون ما لم يتم تطبيق القوة. علاوة على ذلك، يستمر الجسم المتحرك في التحرك بنفس السرعة ما لم يتم تطبيق قوة لتغيير تلك الحركة. في الممارسة العملية، هناك العديد من القوى (على سبيل المثال، الاحتكاك، التخميد اللزج أو مقاومة الهواء) التي تميل إلى تطبيق قوى طبيعية لإبطاء الأجسام المتحركة، هذه بعض الطرق العديدة التي تعمل بها القوى لتغيير السرعة بمرور الوقت.
تُستخدم معادلات الحركة لوصف القوى في نظام ديناميكي والطريقة التي تؤثر بها هذه القوى على تسارع (تسارع) درجات مختلفة من الحرية (على سبيل المثال، الزوايا المشتركة للروبوت).
