ربات‌های متحرک به توانبخشی وارد شده‌اند، اما کمتر برای تحلیل راه‌رفتن استفاده می‌شوند. ادغام این ربات‌ها، کاربردهای پزشکی جدیدی را امکان‌پذیر می‌کند. این مطالعه از ربات مجهز به دوربین عمق برای تحلیل راه‌رفتن انسان در محیط‌های عملی استفاده می‌کند. هدف، اثبات اعتبار این ربات و کاربرد آن در محیط‌های بالینی است. طراحی سخت‌افزار، نرم‌افزار و کنترل‌کننده‌های سیستم شامل حفظ خط، پیگیری و سرویس‌دهی ارائه شده است. دقت سیستم با مقایسه با دستگاه معتبر Vicon تأیید شد. آزمایش‌های عملی، کارایی الگوریتم حفظ خط را بررسی کردند و آزمایش‌های بالینی روی بیماران مبتلا به مولتیپل اسکلروزیس انجام شد. نتایج نشان داد که سیستم می‌تواند تحلیل راه‌رفتن را با دقت بالایی انجام دهد. تنظیم سروینگ و فاصله، خطای اندازه‌گیری در مسیرهای منحنی را کاهش داد. این ربات برای تحلیل دقیق راه‌رفتن از قسمت جلویی بیمار طراحی شده و امکان ثبت صحیح حرکت را در محیط‌های بالینی فراهم می‌کند.
ربات‌های متحرک به توانبخشی راه‌یافته‌اند اما به‌ندرت برای تحلیل راه‌رفتن استفاده می‌شوند. ادغام این ربات‌ها، کاربردهای پزشکی جدیدی را ممکن می‌سازد. این مطالعه از رباتی با دوربین‌های عمق برای تحلیل راه‌رفتن در محیط‌های واقعی استفاده می‌کند. هدف، اثبات اعتبار این ربات و کاربرد آن در محیط‌های بالینی است. طراحی سخت‌افزار، نرم‌افزار و کنترل‌کننده‌ها شامل حفظ خط و پیگیری ارائه شده است. دقت سیستم با مقایسه با دستگاه معتبر Vicon تأیید شد.
الگوهای راه‌رفتن انسان اطلاعات مهمی درباره وضعیت سلامتی ارائه می‌دهند. بیماری‌های عصبی مانند سکته مغزی، پارکینسون و مولتیپل اسکلروزیس الگوی راه‌رفتن را تغییر می‌دهند. تغییر در راه‌رفتن موجب کاهش حرکت، افزایش خطر سقوط و افت کیفیت زندگی می‌شود. سیستم‌های تحلیل حرکت مانند Vicon و Xsens با دقت بالا، به تجهیزات گران و فضای آزمایشگاهی نیاز دارند.
سیستم‌های بدون نشانگر مانند دوربین‌های RGBD با هزینه کمتر و سهولت بیشتر به تحلیل راه‌رفتن کمک می‌کنند. محدودیت اصلی این دوربین‌ها، برد دید کوتاه آن‌هاست. راهکارهایی چون استفاده از حسگرهای متعدد یا تردمیل ارائه شده اما هرکدام چالش‌هایی دارند. استفاده از ربات‌های متحرک با دوربین عمق، روشی جدید و کاربردی برای تحلیل راه‌رفتن در محیط‌های واقعی است.
ربات‌های متحرک به دو دسته “ربات‌های واکر” که به تعامل فیزیکی نیاز دارند و “ربات‌های دنبال‌کننده” که از راه دور فرد را دنبال می‌کنند، تقسیم می‌شوند. ربات‌های دنبال‌کننده دید کاملی از بدن ارائه می‌دهند و تحلیل دقیق‌تری از حرکت را ممکن می‌سازند. نمونه‌ای از ربات‌های واکر، ربات UFES است که از حسگرهای لیزری و IMU برای تحلیل سینماتیک راه‌رفتن استفاده می‌کند و به کمک افراد در حرکت می‌پردازد.
ویژگی‌های اصلی واکر رباتیک:
این واکر از حسگرهای متعددی از جمله Leap Motion و Intel F200 برای جمع‌آوری داده‌ها استفاده می‌کند. کنترلر Leap Motion به مرکز پاها متمرکز شده و حرکت کمر و پاها را ثبت می‌کند. در همین حال، حسگر عمق Intel F200 داده‌های پا و مچ پا را ضبط کرده و ویژگی‌هایی مانند تشخیص ضربه پاشنه را استخراج می‌کند. ترکیب این داده‌ها امکان تحلیل دقیق‌تر راه رفتن را فراهم می‌آورد.
نمونه‌های برجسته واکرهای رباتیک:
1- پروژه ROGER:
این پروژه یک ربات کمک‌کننده اجتماعی متحرک (SAR) برای بیماران پس از جراحی اندوپروتز لگن توسعه داده است. این ربات به‌عنوان یک مربی رباتیک راه رفتن عمل کرده و بیماران را در راهروهای کلینیک همراهی می‌کند. از آنجایی که Kinect V2 در ردیابی پایدار موقعیت‌های پا محدودیت دارد، ROGER از تخمین دقیق‌تر موقعیت مچ پا برای تشخیص مراحل راه رفتن استفاده می‌کند.
ویژگی‌های اصلی ROGER:
-
تشخیص انحرافات راه رفتن و ارائه بازخورد اصلاحی در لحظه
-
همراهی بیماران برای یادگیری راه رفتن با عصا
-
مجهز به سیستم محلی‌سازی بر اساس روش مونت کارلو تطبیقی
-
تشخیص موانع با استفاده از نقشه‌برداری شبکه اشغال
-
استفاده از حسگر Kinect V2 برای تخمین پارامترهای راه رفتن مانند طول گام، مدت‌زمان ایستادن، خم‌شدگی زانو و وضعیت عصا
2- ربات تعاملی Lucia:
این ربات توسط Ryo Saegusa توسعه یافته و با استفاده از ارزیابی راه رفتن، آموزش مستقل راه رفتن را پشتیبانی می‌کند. برخلاف سایر سیستم‌ها، این ربات به مسیرهای از پیش‌آموخته‌شده توسط فیزیوتراپیست تکیه دارد و بیمار را به‌طور مستقل در همان مسیر هدایت می‌کند.
ویژگی‌های اصلی Lucia:
استفاده از دوربین مادون قرمز ASUS Xtion برای ردیابی اسکلت
هدایت بیماران با تحریک‌های شنیداری، بصری و حسی
ارائه بازخورد بصری متحرک، صدا و ارتعاشات برای اطلاع‌رسانی به بیمار
آموزش توسط فیزیوتراپیست و حرکت مستقل پس از یادگیری مسیر
3- پلتفرم Bonnet:
این ربات مبتنی بر پلتفرم رباتیک موبایل Pioneer 3-DX طراحی شده و برای تحلیل راه رفتن پاتولوژیک از نمای عقب بیمار استفاده می‌شود. این سیستم برای ردیابی دقیق‌تر به نشانگرهای مسطح روی بدن بیمار نیاز دارد و از Microsoft SDK برای ردیابی اسکلت استفاده نمی‌کند.
ویژگی‌های اصلی پلتفرم Bonnet:
نصب حسگر Kinect به‌صورت افقی بر روی دکلی با ارتفاع قابل تنظیم
دنبال کردن بیمار با حفظ فاصله ثابت و تحلیل راه رفتن از نمای عقب
استفاده از الگوریتم ردیابی-آموزش-تشخیص قوی (TLD) برای شناسایی موقعیت بیمار
تخمین سه‌بعدی موقعیت بیمار با ترکیب تصویر رنگی و نقشه عمق
پلتفرم رباتیک این مطالعه برای استفاده در خانه‌ها، بیمارستان‌ها و کلینیک‌ها طراحی شده است. ربات باید بتواند مستقل حرکت کند، از موانع اجتناب کند، موقعیت خود را روی نقشه تعیین کند، سوژه را دنبال کند و راه رفتن را تحلیل نماید.
این اهداف با به‌کارگیری SLAM، تکنیک‌های کنترل و الگوریتم‌های برنامه‌ریزی مسیر محقق شده‌اند. ارزیاب، هدف ناوبری را مشخص کرده و مسیر آزمایش پیاده‌روی ایجاد می‌شود. کنترل‌کننده دوگانه شامل حفظ خط و پیگیری فرد است.
فاصله‌ی پیگیری به‌طور پیش‌فرض ۲.۰ متر تنظیم شده است. ردیابی اسکلت با دوربین RGB-D و Nuitrack SDK انجام می‌شود. محدودیت‌های مطالعه شامل عدم تحلیل اجتناب از موانع متحرک و ناتوانی حسگر لیزری در شناسایی دیوارهای شیشه‌ای است.
طراحی واکر هوشمند ترکیبی از پلتفرم رباتیک متحرک و رولاتور سنتی است که نیازهای پایداری ساختاری، تعامل انسان و ربات، و سازگاری با محیط‌های خانگی را برآورده می‌کند.
پایداری سازه: واکر باید محکم و چابک بوده و وزن کاربر تا 85 کیلوگرم را تحمل کند. برای حرکت آسان در محیط‌های باریک، عرض آن از 700 میلی‌متر تجاوز نمی‌کند.
سیستم تحرک: برای چرخش آسان و حرکت در فضاهای محدود، از درایو دیفرانسیل استفاده شده که پایداری بیشتری نسبت به چرخ‌های همه‌جهته دارد. همچنین، واکر به مکانیسم ترمز اضطراری مجهز است.
شبکه سنجش: واکر دارای حسگرهای نوری، حرارتی، نیرو و صوتی است که وضعیت کاربر را تشخیص داده و تعامل مؤثر انسان و ربات را ممکن می‌سازد. دسته‌های مجهز به حسگرهای نرم، اطلاعات دقیقی از فشار و نیروی دست کاربر ارائه می‌دهند.
این واکر هوشمند با ترکیب فناوری‌های پیشرفته سخت‌افزاری و نرم‌افزاری، امنیت، راحتی و تعامل بهتر را برای کاربران، به‌ویژه سالمندان، فراهم می‌کند.
ربات‌های دنبال‌کننده برای بیماران مبتلا به مشکلات حرکتی به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که به آن‌ها در بازیابی یا بهبود الگوهای حرکتی طبیعی کمک کنند. این ربات‌ها معمولاً برای بیمارانی که دچار مشکلاتی مانند همی‌پلژی یا بیماری‌هایی مثل MS هستند، مفید هستند. ربات‌ها با استفاده از حسگرهای مختلف مانند دوربین‌های عمق یا سنسورهای لیزری، حرکت‌های بیمار را پیگیری می‌کنند. این حسگرها به‌طور دقیق موقعیت بیمار را شناسایی کرده و به ربات این امکان را می‌دهند که مسیر حرکتی بیمار را دنبال کند.
یکی از ویژگی‌های بارز این ربات‌ها، حفظ فاصله مناسب از بیمار است. برخلاف ربات‌های قدیمی که معمولاً از پشت بیمار حرکت می‌کردند، ربات‌های دنبال‌کننده به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که مسیر از پیش تعیین‌شده را از جلو یا کنار بیمار دنبال می‌کنند. این ویژگی به بیمار اجازه می‌دهد که حرکت‌های خود را طبیعی‌تر و بدون احساس فشار انجام دهد.
ربات‌های دنبال‌کننده همچنین به بیمار کمک می‌کنند تا الگوهای حرکتی خود را بهبود بخشند. به‌ویژه برای بیمارانی که دچار ناهماهنگی در حرکت‌های خود هستند، ربات‌ها می‌توانند به‌طور خودکار حرکت‌ها را تنظیم کنند و به بیمار کمک کنند تا الگوهای حرکتی صحیح‌تر و هماهنگ‌تری ایجاد کند. به‌عنوان مثال، در بیمارانی که یک طرف بدن آن‌ها ضعیف‌تر است، ربات می‌تواند به‌طور مستقیم به آن‌ها کمک کند تا راه رفتن بهتری داشته باشند.
این ربات‌ها همچنین از سیستم‌های بازخورد استفاده می‌کنند تا بیمار بتواند از پیشرفت خود در طول تمرینات آگاه شود. با استفاده از بازخورد صوتی یا لمسی، بیمار می‌تواند متوجه شود که آیا حرکات او درست است یا نیاز به اصلاح دارد. این نوع بازخورد لحظه‌ای به بیمار کمک می‌کند تا تمرینات خود را با دقت بیشتری انجام دهد.
در نهایت، ربات‌های دنبال‌کننده به‌طور یکپارچه با دیگر تجهیزات پزشکی و توانبخشی در ارتباط هستند. این یکپارچگی می‌تواند شامل جمع‌آوری داده‌ها و تحلیل نتایج باشد، که به پزشک معالج کمک می‌کند روند درمانی بیمار را به‌طور مؤثرتر پیگیری کند. در نتیجه، ربات‌های دنبال‌کننده به‌عنوان ابزاری نوین در توانبخشی و درمان بیماران با مشکلات حرکتی، می‌توانند نقش مهمی در بهبود کیفیت زندگی آن‌ها ایفا کنند.
استفاده از ربات‌های اسکلت بیرونی و سیستم‌های رباتیک دنبال‌کننده در توانبخشی بیماران با مشکلات حرکتی، بهبود قابل توجهی در عملکرد حرکتی و درمان آن‌ها ایجاد کرده است. این ربات‌ها با پیگیری دقیق حرکات و ارائه بازخورد لحظه‌ای، به بیماران کمک می‌کنند تا تمرینات خود را به درستی انجام دهند و بهبود یابند. طراحی‌های نوآورانه مانند حفظ فاصله مناسب و هدایت حرکت از جلو، تجربه توانبخشی را راحت‌تر و مؤثرتر می‌سازد. این سیستم‌ها به پزشکان امکان می‌دهند روند درمانی بیماران را به‌طور دقیق‌تری پیگیری کنند و کیفیت زندگی بیماران را بهبود بخشند.
:References
https://www.mdpi.com/1424-8220/21/20/6786
https://www.frontiersin.org/journals/neurorobotics/articles/10.3389/fnbot.2021.817446/full
https://www.frontiersin.org/journals/neurorobotics/articles/10.3389/fnbot.2020.575889/full
