طراحي و ساخت رابط كاربري هپتيكي مبتني بر حركات سر به‌ منظور كمك به معلولين قطع نخاع گردني

Design and Prototyping of a Haptic User Interface based on Head Movements for Patients with Cervical Spinal Cord Injury

افرادي با درجه معلوليت بالا نظير بيماران قطع نخاع گردني، براي انجام كارهاي روزمره و رفع نيازهاي خود تا حد زيادي به اطرافيانشان وابسته هستند و اين موضوع كيفيت زندگي اين افراد و اطرافيان آن‌ها را كاهش مي‌دهد. فناوري‌هايي نظير رباتيك مي‌تواند با كمك به اين افراد آن‌ها را تا حدودي در رفع نيازهاي روزمره ياري دهد. اولين گام در طراحي ربات‌هايي كه بتوانند به معلولين كمك نمايند، طراحي رابط كاربري است كه بتواند فرمان‌هاي فرد معلول را دريافت كرده و آن‌ها را به ربات منتقل نمايد. در اين مقاله طراحي و ساخت يك رابط كاربري هپتيكي به‌منظور كمك به بيماران قطع نخاع گردني ارائه شده است. در اين رابط كاربري، حركات سر كاربر توسط يك حسگر ژيروسكوپ اندازه‌گيري شده و به محيط كامپيوتري كه بازوي رباتيك در آن شبيه‌سازي شده است، فرستاده مي‌شود. در ادامه بازو با استفاده از اين زوايا و طبق الگوي نويني، كنترل مي‌گردد. همچنين براي ايجاد بازخورد فيزيكي از محيط براي كاربر، يك واحد هپتيكي نيز طراحي و ساخته شده تا ميزان سنگيني اشياء گرفته شده توسط بازو و همچنين برخورد بازو با موانع براي كاربر به‌صورت فيزيكي، از طريق ايجاد گشتاور مقاوم در برابر حركت سر، قابل‌درك باشد. براي ارزيابي عملكرد رابط كاربري هپتيكي، سه نوع آزمون طراحي و بر روي دو كاربر اجرا شده است. در آزمون تشخيص برخورد بازو با مانع 100 درصد آزمون‌ها، در آزمون تشخيص وزن اجسام سبك و سنگين 83 درصد و در آزمون تشخيص وزن اجسام سبك، متوسط و سنگين 72 درصد آزمون‌ها با موفقيت همراه بوده‌اند.

Individuals with high levels of disability like patients with cervical spinal cord injury are highly dependant on their relatives for daily life needs. Hence, this problem decreases the quality of life of these individuals and their relatives. New technologies such as robotics have the potential to help these kinds of patients and give them some degree of independence. The first step in design and implementation of robots which have the capability of helping disabled people is to design a user interface that can receive user’s commands and transfer these commands into the robot environment. In this paper, a haptic user interface has been designed and implemented to serve patients with cervical spinal cord injury. In this user interface, user’s head angles have been extracted using a gyroscope sensor and then transferred into the computer simulation environment in which the robotic arm is graphically simulated and the user can control the arm using his/her head movements through a novel control pattern. A haptic unit has also been designed and implemented to produce resistive torques against head movements to help the user to physically sense the weight of gripped objects and the collision of the robotic arm with obstacles. The performance of haptic user interface was evaluated using three sets of tests subject to two healthy individuals. Finally, obstacle collision detection tests were 100 percent successful while heavy and light object recognition tests were 83 percent and heavy, medium and light object recognition tests were 72 percent successful.