ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙΝΟΤΟΜΟΥ ΠΡΟΣΘΕΤΙΚΟΥ ΧΕΡΙΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΜΙΜΗΤΙΚΩΝ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΤΩΝ Κωνσταντίνος Ανδριανέσης και Αντώνιος Τζές Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Τομέας Συστημάτων και Αυτομάτου Ελέγχου ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα εργασία αφορά την κατασκευή ενός ανθρωπομορφικού χεριού για προσθετικούς σκοπούς με τη βοήθεια βιομιμητικών ενεργοποιητών και πιο συγκεκριμένα μορφομνήμονων μεταλλικών κραμάτων (Shape Memory Alloys). Κάνοντας χρήση των πλεονεκτημάτων των μη συμβατικών αυτών ενεργοποιητών αναπτύσσεται μια προσθετική συσκευή που πληροί όλες τις απαιτητικές προδιαγραφές όπως αυτές περιγράφονται από τους ίδιους τους χρήστες τέτοιων συσκευών σε αντίστοιχες έρευνες. Ιδιαίτερη μέριμνα δίδεται για την κατασκευή μιας συμπαγούς, εύκολα συναρμολογήσιμης ανθρωπομορφικής δομής. Αποτέλεσμα αυτής της εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός απολύτως αθόρυβου τεχνητού χεριού με πολύ μικρό όγκο και μάζα αλλά ταυτόχρονα αυξημένη επιδεξιότητα ικανό να επιτελέσει όλες τις συνήθεις καθημερινές εργασίες ενός ανθρώπου με αναπηρία στα άνω άκρα. Λέξεις κλειδιά: Ανθρωπομορφικά Προσθετικά Χέρια, Βιομιμητικοί Ενεργοποιητές, Μορφομνήμονα Μεταλλικά Κράματα (Shape Memory Alloys). 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ένα από τα βασικότερα προβλήματα στην ανάπτυξη πραγματικά επιδέξιων προσθετικών χεριών είναι οι περιορισμένες δυνατότητες των κλασσικών τρόπων ενεργοποίησης. Ακόμα και τα πλέον σύγχρονα εμπορικά προσθετικά χέρια κάνοντας χρήση τέτοιων συμβατικών ενεργοποιητών (κυρίως DC περιστροφικών κινητήρων) αδυνατούν να ανταποκριθούν πλήρως στις ανάγκες των χρηστών τους κυρίως λόγω της θορυβώδους τους λειτουργίας και της περιορισμένης ενεργειακής τους πυκνότητας που με της σειρά της οδηγεί σε χρήση συστημάτων οδήγησης μεγάλου όγκου και βάρους (Herr, 2003). Λύση στο πρόβλημα αυτό φιλοδοξούν να δώσουν προηγμένοι, μεγάλης δύναμης και μικρού μεγέθους βιομιμητικοί ενεργοποιητές. Οι ενεργοποιητές αυτοί είναι αποτέλεσμα της τεχνολογικής προόδου που σημειώνει τα τελευταία χρόνια ο τομέας της επιστήμης των υλικών όπου συνεχώς νέα «έξυπνα» υλικά με καινούριες δυνατότητες και λειτουργίες έρχονται να δώσουν νέα ώθηση στην εφαρμοσμένη μηχανική. Από αυτούς τους ενεργοποιητές, τα Μορφομνήμονα Μεταλλικά Κράματα (ΜΜΚ) φαίνεται να πλεονεκτούν στον παρόντα χρόνο έναντι των υπολοίπων. Συμπεριφερόμενοι ως γραμμικοί ενεργοποιητές μπορούν να μιμηθούν επιτυχώς τη λειτουργία του ανθρώπινου μυός. Συγκεκριμένα τα ΜΜΚ είναι μία κατηγορία μεταλλικών κραμάτων που έχουν την ιδιότητα να συστέλλονται όταν θερμαίνονται. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό και ως φαινόμενο της πλαστικής μνήμης, κατά τη διάρκεια εκδήλωσής του παράγει μια πολύ ισχυρή δύναμη μεταξύ των ατόμων του υλικού που μπορεί να αξιοποιηθεί κατάλληλα ως δύναμη ενεργοποίησης. Επιπρόσθετα πλεονεκτήματα αυτών αποτελούν η δυνατότητα εντοπισμού της ακριβής τους θέσης εξαιτίας μίας σχεδόν γραμμικής σχέσης μεταξύ της συστολής τους και της ωμικής τους αντίστασης καθώς και η αθόρυβη λειτουργία τους (Kyberd et al., 2001). Αρκετές και σημαντικές προσπάθειες έχουν ήδη γίνει από διάφορα ερευνητικά κέντρα σε όλον τον κόσμο για την ανάπτυξη τεχνητών χεριών ή απλά μονοδακτύλιων μηχανισμών χρησιμοποιώντας ως ενεργοποιητές ΜΜΚ. Ενδεικτικά αναφέρουμε τις εξής εργασίες: (DeLaurentis and Mavroidis, 2002), (Maeno and Hino, 2006), (Cho et al., 2006) και (Bundhoo et al., 2008) τα αποτελέσματα των οποίων απεικονίζονται κατά σειρά στην Εικόνα 1. Σε όλες όμως αυτές τις περιπτώσεις ελάχιστα πειραματικά αποτελέσματα είναι διαθέσιμα και καμία πραγματικά ολοκληρωμένη και υλοποιήσιμη λύση δεν έχει παρουσιαστεί που να ικανοποιεί τις απαιτήσεις μιας προσθετικής συσκευής.
Εικόνα 1. Μηχανισμοί ενεργοποιούμενοι από ΜΜΚ Στο παρόν άρθρο παρουσιάζεται ένα πρόσφατα ανεπτυγμένο πρωτότυπο προσθετικού χεριού που κάνει χρήση τέτοιων ενεργοποιητών ενσωματωμένων στο εσωτερικό του. Η τεχνολογία που εφαρμόζεται στο χέρι αυτό προσφέρει μια σειρά σημαντικών βελτιώσεων και πλεονεκτημάτων συγκρινόμενο με τις αντίστοιχες εμπορικές προσθετικές συσκευές. Για τον σκοπό αυτό, μελετήθηκε το ανθρώπινο χέρι και υιοθετήθηκαν όλα εκείνα τα απαραίτητα στοιχεία που χρειάζονται για τον σχεδιασμό και την κατασκευή ενός πραγματικά λειτουργικού πρωτοτύπου. 2 ΠΡΟΣΘΕΤΙΚΑ ΧΕΡΙΑ Το ανθρώπινο χέρι παίζει σπουδαίο ρόλο στην καθημερινή μας ζωή καθώς μέσω αυτού αλληλεπιδρούμε με τον υλικό κόσμο. Η μοναδική του λειτουργικότητα είναι αποτέλεσμα μιας πολύπλοκης γεωμετρίας αρθρώσεων, συνδέσμων και μυών που επιτρέπουν ένα πολυπληθές σύνολο κινήσεων και χρήσεων (χειρισμός, σύλληψη, εξερεύνηση) που εκτιμάται σε 26% του συνόλου των κινήσεων του ανθρώπινου σώματος (Brown, 2008a). Αλλά, εξαιτίας αυτής της πολυπλοκότητας είναι αδύνατο να αντιγραφεί από τα υπάρχοντα τεχνολογικά μέσα και ως εκ τούτου η απώλειά του μπορεί να έχει οδυνηρές επιπτώσεις για τον άνθρωπο. Αν και τα τελευταία χρόνια έχουν κατασκευαστεί από διάφορα ιδρύματα πολλά και εντυπωσιακά ανθρωπομορφικά ρομποτικά χέρια (Robonaut Hand, DLR Hand, Gifu Hand, Shadow Hand, κ.α.), εν τούτοις αυτά αδυνατούν να λειτουργήσουν ως προσθετικές συσκευές καθώς αυτές καλούνται να πληρούν μια σειρά απαιτητικών προδιαγραφών προκειμένου να είναι αποδεκτά από τους χρήστες τους. Αυτές οι προδιαγραφές (Kyberd et al., 2001 Schultz et al., 2004) περιλαμβάνουν: το χαμηλό βάρος, την αθόρυβη λειτουργία, τον εύκολο έλεγχο, το χαμηλό κόστος, την ασφάλεια χρήσης και την αξιοπιστία. Τα πιο προηγμένα σύγχρονα προσθετικά χέρια χρησιμοποιούν μικρούς ηλεκτρομαγνητικούς κινητήρες που ελέγχονται από ένα ή δύο επιφανειακά ηλεκτρόδια που ανιχνεύουν τα σήματα συστολής του μυ (ΗΜΓ) στο εναπομένον μέλος του χεριού του χρήστη. Προς το παρόν, το πιο γνωστό, εμπορικά διαθέσιμο χέρι είναι το i-limb Hand (Εικόνα 2α). Αποτελείται από 5 ανεξάρτητα δάκτυλα, καθένα εκ των οποίων οδηγείται από ένα μικρό συμβατικό ηλεκτρικό κινητήρα και κατάλληλο σύστημα γραναζιών. Πριν την εισαγωγή του i-limb στην αγορά, οι επιλογές των ανθρώπων με αναπηρία στα άνω άκρα περιορίζονταν σε προσθετικά χέρια που συμπεριφέρονται ως απλές αρπάγεις ενός ή δύο βαθμών ελευθερίας προσφέροντας ελάχιστη λειτουργική αποκατάσταση του χαμένου μέλους, συνήθως με μία μόνο απλή κίνηση ανοίγματος-κλεισίματος του χεριού. Μερικά παραδείγματα τέτοιων χεριών αποτελούν το SensorHand Speed (Εικόνα 2β) και το Motion Control Hand (Εικόνα 2γ). Αυτές οι συσκευές δεν επιτρέπουν επαρκή περικύκλωση των αντικειμένων, σε αντίθεση με τα προσαρμόσιμα δάκτυλα του i- Limb, με αποτέλεσμα να έχουμε συχνά ασταθείς συλλήψεις. Εικόνα 2. Εμπορικά προσθετικά χέρια
3 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΥ 3.1 Σχεδιασμός ανθρωπομορφικού πρωτοτύπου Το ανθρώπινο χέρι είναι ένα βελτιστοποιημένο βιολογικό σύστημα προϊόν εκατομμυρίων χρόνων εξέλιξης και ως εκ τούτου αποτελεί αδιαμφισβήτητο σημείο αναφοράς για όλους όσους σχεδιάζουν τεχνητά χέρια. Έχοντας λοιπόν ως πρότυπο το ανθρώπινο χέρι και ύστερα από εκτεταμένη μελέτη των ανατομικών και εμβιομηχανικών ιδιοτήτων του προχωρούμε στον σχεδιασμό μιας προσθετικής συσκευής που ομοιάζει στην εμφάνιση, το μέγεθος και την απόδοση όσο το δυνατόν περισσότερο με αυτήν του ανθρώπινου χεριού. Στο Σχήμα 1 φαίνονται τα τρισδιάστατα μοντέλα όπως αυτά σχεδιάστηκαν σε κατάλληλο λογισμικό και είναι βασισμένα σε ανθρωπομετρικά δεδομένα του 5 ου εκατοστημορίου των Αμερικανών ανδρών (περίπου ίσα με αυτά της μέσης Αμερικανίδας γυναίκας). Σχήμα 1. Μοντέλο CAD προσθετικού χεριού Το χέρι αυτό αποτελείται από πέντε (5) δάκτυλα, 16 διαφορετικές αρθρώσεις ενεργοποιούμενες από μόλις 6 βιομιμητικούς ενεργοποιητές. Καθώς τα προσθετικά χέρια ελέγχονται από λίγα μόνο ΗΜΓ σήματα, δεν είναι δυνατόν ο χρήστης να ελέγξει ταυτόχρονα πολλούς ενεργοποιητές (Carrozza et al., 2003). Για τον λόγο αυτόν, προτιμάται και ο τρόπος αυτός ενεργοποίησης όπου ένας μεγάλος αριθμός αρθρώσεων ελέγχεται από έναν περιορισμένο αριθμό ενεργοποιητών. Με αυτόν τον τρόπο, τα δάκτυλα και κάθε φάλαγγά τους κατά την σύλληψη ενός αντικειμένου προσαρμόζονται στο σχήμα του αυτόματα ανάλογα με τους εξωτερικούς περιορισμούς που επιβάλλονται σε αυτό και επομένως δεν χρειάζεται οποιοσδήποτε ενεργός συντονισμός των κινήσεων αυτών. Οι διαστάσεις των συνδέσμων, η διάταξη των δακτύλων και η θέση των σημείων επαφής θα καθορίσουν την κατανομή των δυνάμεων μεταξύ των
φαλαγγών και του εν συλλήψει αντικειμένου. Σε γενικές γραμμές, χρειάζονται μικρές δυνάμεις επαφής για μια σύλληψη (συνήθως κάτω από 10Ν) και οι δυνάμεις επαφής κατανέμονται παρόμοια με αυτές στα βιολογικά χέρια. Η κινηματική δομή του προσθετικού αυτού χεριού φαίνεται στο Σχήμα 2. Κάθε δάκτυλο ενεργοποιείται από μία ειδικά σχεδιασμένη Μονάδα Ενεργοποίησης (ΜΕ). Ειδικά για τον αντίχειρα, έχουμε δύο ΜΕ. Επομένως όλα τα δάκτυλα μπορούν να κινηθούν ανεξάρτητα. Επίσης, ένας επιπλέον βαθμός ελευθερίας που αφορά την περιστροφή του αντιβραχίου ενεργοποιείται ανεξάρτητα από έναν υψηλής ροπής σερβοκινητήρα εγκατεστημένο στο πίσω μέρος του αντιβραχίου. Σχήμα 2. Κινηματική δομή προσθετικού χεριού Με αυτήν την διάταξη των αρθρώσεων και των βαθμών ελευθερίας, είναι δυνατός ο σχηματισμός όλων των βασικών τύπων σύλληψης όπως αυτές περιγράφηκαν από τον Schlesinger το 1919. Όπως τονίζεται, το 90% όλων των επιδέξιων κινήσεων του χεριού μπορεί να καλυφθεί με έξι (6) πρωτογενείς τύπους σύλληψης (Σχήμα 3). Α. Κυλινδρική Β. Πλευρική Γ. Ακροδακτύλια Δ. Αγκιστροειδής Ε. Σφαιρική ΣΤ. Παλαμιαία Σχήμα 3. Προσομοιωμένες συλλήψεις (πρωτογενείς συλλήψεις βάσει Schlesinger)
3.2 Σύστημα ενεργοποίησης Για την ανάπτυξη του συστήματος ενεργοποίησης, χρησιμοποιήθηκαν τα πλέον διαδεδομένα ΜΜΚ τα κράματα νικελίου-τιτανίου (NiTi), γνωστά και ως NiTiNOL. Τα NiTiNOL είναι άμεσα διαθέσιμα και εμπορικά εκμεταλλεύσιμα (πολύ χαμηλή τιμή και δυνατότητα για μαζική παραγωγή) καθώς έχουν ήδη υποστεί την προετοιμασία που χρειάζονται για να δρουν ως γραμμικοί ενεργοποιητές. Στην παρούσα έρευνα, χρησιμοποιούνται ειδικά κατεργασμένοι κυλινδρικοί αγωγοί από NiTiNOL που ασκούν μεγάλες δυνάμεις (~200MPa) ως προς μία μόνο διεύθυνση συστελλόμενοι κατά 3-4% του συνολικού τους μήκους όταν θερμαίνονται (Brown, 2008b). Η συστολή-θέρμανσή τους μπορεί εύκολα να επιτευχθεί με τη βοήθεια διαρρέοντος ηλεκτρικού ρεύματος σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο. Αντιθέτως, η φάση ψύξης τους είναι αρκετά πιο αργή και μια ανταγωνιστική δύναμη είναι απαραίτητη για να γυρίσει ο αγωγός στην αρχική του μη συσταλμένη κατάσταση. Μετά από αρκετά πειράματα με αυτούς τους αγωγούς και διάφορες πειραματικές διατάξεις, αναπτύξαμε συμπαγείς ΜΕ που είναι σε θέση να ασκούν μεγάλες δυνάμεις ενώ παράλληλα αποκρίνονται σε αρκετά υψηλές ταχύτητες (Σχήμα 4). Παρά ταύτα, η χαμηλή ενεργειακή απόδοση (<10%) των ΜΜΚ σε συνδυασμό με το γεγονός ότι οι προσθετικές συσκευές χρησιμοποιούν κυρίως επαναφορτιζόμενες μπαταρίες περιορισμένης χωρητικότητας για την ικανοποίηση των ενεργειακών τους αναγκών, καθιστά επιτακτική την μείωση των ενεργειακών απαιτήσεων για την λειτουργία του προσθετικού χεριού. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού, επιλέχθηκε το χέρι να βρίσκεται με την βοήθεια ελατηρίων σε μια εκούσια θέση κάμψης όλων των αρθρώσεών του. Με άλλα λόγια, η συσκευή βρίσκεται σε μια κλειστή θέση σε φάση μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης και απαιτείται απλά ηλεκτρική ενέργεια προκειμένου το χέρι να βρεθεί σε έκταση. Προ-τεντωμένα ελατήρια έκτασης δρουν ανταγωνιστικά στις ΜΕ (που ελέγχουν το άνοιγμα του χεριού) και κάμπτουν όλα τα δάκτυλα επιτυγχάνοντας παθητική σύλληψη των όποιων αντικειμένων. Η ολοκλήρωση ενός βιομιμητικού κινητήριου συστήματος επιτάσσει και την ύπαρξη κάποιου μηχανισμού μετάδοσης της κίνησης. Ο φυσικός τρόπος ενεργοποίησης υποδεικνύει ως καλύτερο τρόπο τη χρήση τενόντων. Χρησιμοποιώντας λοιπόν τεχνητούς τένοντες για την μετάδοση της αναπτυσσόμενης δύναμης από τους ενεργοποιητές στα κινούμενα μέρη του προσθετικού χεριού προκύπτει ως θετική συνέπεια και η εξάλειψη των πολύπλοκων συστημάτων συνδέσμων, γραναζιών κ.α. που χρησιμοποιούνται αναπόφευκτα σήμερα με τους ηλεκτρομαγνητικούς περιστροφικούς κινητήρες και που ευθύνονται για τις περισσότερες πρόωρες βλάβες, το μεγάλο βάρος και το υψηλό κόστος των συσκευών. Σχήμα 4. Μονάδα Ενεργοποίησης 4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Για την φυσική υλοποίηση του προτεινόμενου σχεδιασμού χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές ταχείας προτυποποίησης (SLS). Στην Εικόνα 3 παρουσιάζεται η εξωτερική όψη του προσθετικού πρωτοτύπου όπως αυτή προέκυψε μετά την συναρμολόγηση των διαφόρων μερών του. Η μάζα αυτού ενσωματώνοντας τις ΜΕ και τα απαραίτητα ηλεκτρονικά δεν ξεπερνά τα 220 γραμμάρια μάζα που είναι κατά πολύ μικρότερη (περίπου το 1/3) από αυτή των εμπορικών προσθετικών χεριών που χρησιμοποιούν συμβατικούς κινητήρες. Τέλος, ο μικρός όγκος και η αθόρυβη λειτουργία των βιομιμητικών ενεργοποιητών που χρησιμοποιούνται υπόσχονται πραγματικά ποιοτική αναβάθμιση της ζωής των ατόμων που χρησιμοποιούν τέτοιες συσκευές για την εκτέλεση των καθημερινών τους αναγκών.
Εικόνα 3. Πρωτότυπο προσθετικού χεριού 5 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Brown, A. (2008a). "Why Hands Matter," Mechanical Engineering, Vol. 130, No. 7. Brown, J. (2008b). "Technical Characteristics of Flexinol," Dynalloy, Inc. Bundhoo, V.; Haslam, E.; Birch, B. & Park, E.J. (2008). "A shape memory alloy-based tendondriven actuation system for biomimetic artificial fingers, part I design and evaluation," Robotica, Vol. 27, No. 1, pp 131-146. Carrozza, M.C.; Vecchi, F.; Sebastiani, F.; Cappiello, G.; Roccella, S.; Zecca, M.; Lazzarini, R. & Dario, P. (2003). "Experimental analysis of an innovative prosthetic hand with proprioceptive sensors," 2003 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp 2230-2235. Cho, K.J.; Rosemarin, J. & Asada H. (2006). "Design of Vast DOF Artificial Muscle Actuators with a Cellular Array Structure and Its Application to a Five-Fingered Robotic Hand," Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Orlando, Florida - May 2006, pp 2214-2219. De Laurentis, K.J. & Mavroidis, C. (2002). "Mechanical design of a shape memory alloy actuated prosthetic hand," Technology and Health Care, Vol. 10, No. 1, pp 91-106. Herr, H.; Whiteley, G.P. & Childress, D. (2003). Cyborg technology biomimetic orthotic and prosthetic technology, Bellingham, WA: SPIE International Society for Optical Engine. Kyberd, P. J., Light, C.; Chappell, P. H.; Nightingale, J.M.; Whatley, D. & Evans, M. (2001). "The design of anthropomorphic prosthetic hands: A study of the Southampton Hand," Robotica, Vol. 19, pp 593-600. Maeno, T. & Hino, T. (2006). "Miniature five-fingered robot hand driven by shape memory alloy actuators," 12th IASTED International Conference. Honolulu, Hawaii, USA pp 174-179. Schulz, S., Pylatiuk, C.; Kargov, A.; Oberle, R. & Bretthauer, G. (2004). "Progress in the development of anthropomorphic fluidic hands for a humanoid robot," 4th International Conference on Humanoid Robots. Santa Monica, California, USA, pp 566-575.