รู้จักหุ่นยนต์สวมใส่บนร่างกาย เพื่อให้มนุษย์เคลื่อนไหวได้!

รศ.ดร. รณพีร์พาไปรู้จัก Wheelchair Exoskeleton มันคือหุ่นยนต์สำหรับผู้สูงอายุและคนที่มีปัญหาด้านการเคลื่อนไหว

โดย รศ.ดร. รณพีร์ ชัยเชาวรัตน์ อาจารย์จากสำนักบริหารหลักสูตรวิศวกรรมนานาชาติ คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ได้ทำห้องแล็บที่เป็นห้องปฏิบัติการหุ่นยนต์ขึ้นมา เพื่อมีเครื่องมือให้นิสิตได้ประกอบหุ่นยนต์ในเวลาว่างจากการเรียน

โดยเน้น Proof of Concept คือนิสิตต้องนำเสนอแนวคิดที่อยากทำในที่ประชุม จากนั้นจึงทดลองทำก่อนที่จะนำนวัตกรรมไปทดสอบกับผู้ใช้จริง

รศ.ดร. รณพีร์ ระบุว่า เขาอยากประดิษฐ์วีลแชร์ที่เดินได้ วีลแชร์ปกติเคลื่อนที่ได้ตามทางปกติเท่านั้น แต่ขึ้นรถเมล์ไม่ได้ ขึ้นลงบันไดไม่ได้ เลยมองว่า ถ้าวีลแชร์สามารถพับขึ้นมาแล้วช่วยให้ผู้นั่ง ลุกขึ้นมาเดินได้ ก็จะทำให้ผู้ที่มีปัญหาทางการเคลื่อนไหวเดินได้สะดวกขึ้น

หุ่นยนต์วีลแชร์ หรือ Wheelchair Exoskeleton คือหุ่นยนต์สำหรับสวมใส่บนร่างกาย เพื่อช่วยการเคลื่อนไหวของมนุษย์ เป็นได้ทั้งวีลแชร์และแปลงเป็นหุ่นยนต์ได้

Exoskeleton มาจาก 2 คำ คือ Exo แปลว่าข้างนอก
Skeleton แปลว่าโครงกระดูก
สองคำรวมกัน แปลว่า โครงกระดูกภายนอก

รศ.​ดร. รณพีร์ มองว่าไอเดียคล้ายไอรอนแมน เมื่อสวมใส่ก็ช่วยให้ผู้สวมใส่มีพละกำลังมากกว่าเดิม ในทางเทคนิค คือการใช้เครื่องจักรกลประกอบหุ่นยนต์ให้ผู้สวมใส่สามารถออกแรงได้มากขึ้น

ไอเดียสำหรับการออกแบบ

สำหรับ Concept design เป็นการออกแบบชิ้นส่วนทุกชิ้นของหุ่นยนต์อย่างละเอียด ใช้โปรแกรมสามมิติจากคอมพิวเตอร์ และหาซื้อวัสดุเอง โดยใช้คาร์บอนไฟเบอร์ที่มีน้ำหนักเบาและผลิตโดยเครื่องพิมพ์สามมิติ บางชิ้นส่วนตัดโดยเครื่องกลึง CNC (Computer Numerical Control)

เมื่อผลิตชิ้นส่วนต่างๆ ครบ ก็นำมาประกอบเป็นตัวหุ่น ส่วนเรื่องการควบคุมการเคลื่อนไหวแบ่งออกเป็น 2 ส่วน

ส่วนแรก: ล้อ กลุ่มนิสิตเขียนโปรแกรมล้อหน้า ให้สามารถวิ่งตรงและเลี้ยวโค้งได้

ส่วนที่สอง: เป็นมอเตอร์ควบคุมข้อต่อสะโพกกับหัวเข่าที่อาจารย์รณพีร์เขียนโปรแกรมควบคุมเอง

หุ่นยนต์มีลักษณะเป็นหุ่นยนต์ไฮบริดแบบใหม่ ผสมกับรถเข็นและ Exoskeleton เข้าด้วยกัน ขาช่วงล่างเปลี่ยนโหมดใช้งานระหว่างนั่งและเดินได้ ใช้มอเตอร์ในการเคลื่อนไหวของข้อต่อสะโพกและหัวเข่า ส่วนข้อต่อข้อเท้าเป็นข้อต่ออิสระ ไม่มีการขับเคลื่อน ล้อซ้ายและขวาสามารถเก็บเข้าไปในส่วนขาส่วนล่างเพื่อเปลี่ยนเป็นท่าเดินหรือข้ามสิ่งกีดขวางได้

ใช้ความรู้ด้านวิศวกรรมศาสตร์และการประดิษฐ์หุ่นยนต์ไม่พอ ต้องมีสรีรศาสตร์ของมนุษย์ร่วมด้วย รวมถึงความรู้ด้าน Biomechanic หรือชีวกลศาสตร์ และความรู้ฝั่งสถาปัตยกรรมศาสตร์เพื่อความสวยงาม ต้องคำนึงถึงอวัยวะของผู้ใช้งาน สวมแล้วไม่ยืด ไม่หด ไม่ระคายผิวหนัง ทุกครั้งที่เหวี่ยงขาจริง Exoskeleton ต้องเหวี่ยงไปด้วย เวลางอหัวเข่า หุ่นยนต์ก็ต้องงอพร้อมกัน

ใช้หลักการ Kinematics Compatibility หรือความเข้ากันได้เชิลจลนศาสตร์ในการออกแบบหุ่นสวมใส่บนร่างกาย กระดูกคนเป็นกระดูกถ้วยกับกระดูกก้อนที่มาสไลด์กัน

กลไกมอเตอร์ หมุนรอบแกนหมุนแกนเดียว โดยออกแบบข้อต่อหัวเข่าให้เป็น Linkage เพื่อให้เส้นทางการเคลื่อนของจุดศูนย์กลางการหมุน เลียนแบบกระดูกจริง ข้อต่อที่มีการงอขาเยอะก็ใช้ Four-bar Linkage เพื่อให้จดหมุนเปลี่ยนไปตามข้อได้

ความรู้เรื่องชีวกลศาสตร์ เอามาคำนวณแรงบิดที่เกิดขึ้นจากรอบข้อเท้า หัวเข่า และสะโพก โดยเอาข้อมูลไปสร้างเป็นหุ่นยนต์ให้เหมาะสมกับสรีระของคน

ตอนนี้กำลังพัฒนาหุ่นยนต์ Wheelchair Exoskeleton ต้นแบบตัวที่สอง แก้ไขเรื่องการนั่ง ลุกให้มั่นคงและเดินได้สะดวกกว่าเดิม และกำลังอยู่ระหว่างการยื่นขอจดทรัพย์สินทางปัญญา จากนี้จะทดสอบการใช้งานจริงกับผู้ป่วยและผู้สูงอายุต่อไป

ที่มา - Chula