เดินให้เหมือนธรรมชาติ

เดินให้เหมือนธรรมชาติ

ปัจจุบันประเทศไทยมีจำนวนคนพิการขาขาดจำนวนมาก ที่มีความต้องการรับความช่วยเหลือเรื่องขาเทียมชนิดสวมใส่พอดีกับช่วงต้นขาทำให้เขาเหล่านั้นเดินได้เหมือนธรรมชาติ ขาเทียมเหล่านี้ต้องทนทาน น้ำหนักเบา ในขณะที่ขาเทียมที่ผลิตอยู่ในประเทศนั้น เป็นขาเทียมที่มีเพียงสปริงสำหรับผลักดันขาเทียมให้ยืดตรง ซึ่งทำให้ท่าทางการเดินของคนพิการแตกต่างจากการเดินของคนสภาพปกติทั่วไป

[ขาเทียมที่ออกแบบโดยฟีโบ้]

สถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม (ฟีโบ้) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้า ธนบุรี ได้จัดสร้างขาเทียม (Prosthetic Knee) ที่สามารถเลียนแบบระบบการทำงานของหัวเข่าของมนุษย์ หัวเข่าเป็นส่วนที่มีความสลับซับซ้อนอย่างมาก ต้องรองรับการยืน การเคลื่อนไหวต่างๆ การนั่ง และต้องทำการควบคุมการเดินให้มีความคล่องตัว(Dexterity) ที่ผ่านมาเข่าเทียมจึงได้มีวิวัฒนาการมาอย่างต่อเนื่อง โดยในระยะแรกได้นำหลักการการเคลื่อนที่ของลูกตุ้ม (Pendulum) มาประยุกต์ใช้ และทำการปรับการแกว่งของขาโดยใช้ ยาง สปริง นิวเมติก หรือไฮดรอลิกเป็นส่วนประกอบ ปัจจุบันขาเทียม บางรุ่นได้นำการควบคุมการเคลื่อนไหวชั้นสูงมาใช้ในการปรับการแกว่งของขาเทียม ผ่านทางการคำนวณของไมโครโปรเซสเซอร์ เนื่องจากว่าผู้พิการในแต่ละรายมีความต้องการขาเทียม ที่แตกต่างกัน ดังนั้นขาเทียม ต้องสามารถช่วยผู้พิการให้เคลื่อนไหว ก้าวเดินได้อย่างสะดวก ไม่สะดุดหกล้ม ปัจจัยสำคัญที่จะช่วยเข้าใจความต้องการของคนพิการ คือ การสังเกตุพฤติกรรมวงจรการเดินของคนพิการ ทั้งนี้วงจรของการเดินของคนปกติทั่วไปจะถูกแบ่งออกเป็น สองส่วน คือ

– Stance phase เป็นช่วงที่ขาเทียมอยู่บนพื้น เพื่อทำการรองรับน้ำหนักของลำตัว

– Swing phase เป็นช่วงที่ขาลอยจากพื้น เพื่อแกว่งขาไปด้านหน้า

[ขาเทียมแบบหลายแกน]

เราพบว่าช่วงตรงกลางระหว่าง 2 ช่วงดังกล่าว จะแตกต่างกันในแต่ละคนพิการ ซึ่งเป็นจุดที่ทำให้ความต้องการใช้ขาเทียมแตกต่างกันไปด้วย ตัวอย่างเช่น ขาเทียมแบบหลายแกน (Polycentric)หรือขาเทียมแบบ “Four bar” ได้รับการออกแบบให้มีแกนหมุนหลายแกน ทำให้ขาเทียมแบบนี้มีความสมดุลอย่างมากในช่วงแรกของ Stance phase และยังง่ายต่อการงอในช่วงเริ่มต้นของ Swing phase นอกจากนี้ขาเทียมแบบนี้ยังมีข้อดีที่ช่วงเริ่มต้น โดยความยาวของขาจะสั้นเมื่อเข้าสู่ช่วงเริ่มต้น เพื่อลดการปัญหาการเดินสะดุด ดังนั้นขาเทียมแบบนี้จึงเหมาะสมกับผู้พิการส่วนใหญ่หรือผู้พิการที่ไม่สามารถใช้ขาเทียมแบบอื่นได้ถึงแม้ว่าขาเทียมแบบหลายแกนมีกลไกที่ใช้ควบคุมการแกว่ง ซึ่งจะทำให้การเดินในแต่ละช่วงของการก้าวมีความเร็วที่เหมาะสม แต่ได้มีขาเทียมแบบหลายแกนจำนวนมากที่ใช้การควบคุมการแกว่งด้วยของไหล ทั้งแบบนิวเมติกและไฮดรอลิกมาช่วยในการควบคุมเพิ่มเติมเพื่อปรับความเร็วในการเดิน อย่างไรก็ตามการควบคุมการเดินของคนพิการให้มีความใกล้เคียงกับคนปกตินั้น ได้มีกระประยุกต์นำระบบหน่วงมาใช้กับขาเทียม จนมีความนุ่มนวลในการเดิน และการเคลื่อนที่ของขาเทียม มีความใกล้เคียงกับขาของคนปกติ Prof. Hugh Herr จาก Media Lab, MIT ได้นำของไหลซึ่งสามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้ มาเป็นสารตัวกลางที่ใช้ในการสร้างการหน่วงของการงอขาเทียม โดยทำการคำนวนหาแรงบิดที่เกิดขึ้นที่ขาเทียมในขณะที่ผู้พิการเดิน แล้วสร้างสนามแม่เหล็กให้กับของไหล เพื่อให้เกิดการหน่วงขึ้นในขาเทียม นอกจากการนำของไหลแบบสามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้ ยังได้มีการนำของไหลชนิดที่เป็นน้ำมันมาทำการควบคุมการหน่วงด้วย โดยมีการออกแบบให้สามารถทำการปรับอัตราการหน่วงของขาเทียมด้วยตัวผู้พิการเอง เพื่อให้มีความเหมาะสมในการก้าวเดินต่างๆ นอกจากนั้นแล้วเมื่อคนพิการจำเป็นต้องใช้ขาเทียมในการรับน้ำหนักตัวเอง ขาเทียมประเภทนี้ สามารถล็อกตำแหน่งของการงอขาเทียมไม่ให้ล้มพับ ด้วยการอาศัยน้ำหนักตัวของคนพิการเองในการปิดวาล์วการไหลของน้ำมัน

ทีมวิจัยสถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม(FIBO) พบว่า การนำของไหลแบบสามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้ มีรายละเอียดทางเทคนิคที่ซับซ้อน และต้นทุนสูง ในขณะที่การนำของไหลแบบน้ำมันมาทำการปรับการหน่วงเป็นวิธีการที่สามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของขาเทียมได้ แต่ขาเทียมแบบน้ำมันนี้ไม่สามารถทำการปรับค่าการหน่วงให้เหมาะสมกับสภาวะการก้าวเดินต่างๆได้อย่างทันทีทันได (Real time) เนื่องจากค่าการหน่วงเป็นแบบค่าคงที่ ดังนั้นทีมวิจัยจึงได้ใช้ของไหลแบบน้ำมัน แต่ได้ทำการควบคุมการเปลี่ยนแปลงของการหน่วงให้มีความสอดคล้องกับการเคลื่อนที่ตามจังหวะการก้าวเดินต่างๆ โดยทำการวิเคราะห์หาความสัมพันธ์ของแรงที่กระทำกับขาเทียม แล้วทำการควบคุมอัตราการหน่วงดังกล่าว การวิเคราะห์เริ่มพิจารณาท่าทางการเดินจากการเดินของคนปกติ แสดงตามรูป

เราได้ทำการทดสอบขาเทียมฟีโบ้แบบปรับอัตราหน่วงได้กับทหารหาญที่พิการขาขวาเหนือหัวเข่าจากการปฏิบัติรักษาความสงบในพื้นที่สามจังหวัดภาคใต้ของไทย โดยทดสอบที่ศูนย์สิรินธรเพื่อการฟื้นฟูสมรรถภาพทางการแพทย์แห่งชาติ

ลักษณะอุปกรณ์ทดสอบ:

-ขาเทียมสำหรับคนพิการปรับอัตราหน่วงได้ด้วยมือ

-ขาเทียมสำหรับคนพิการปรับอัตราหน่วงได้ด้วยอุปกรณ์ไร้สาย

-ขาเทียมสำหรับคนพิการปรับอัตราหน่วงได้ด้วยไมโครโปรเซสเซอร์

ผลการทดสอบ ในการทดสอบการทำงานของขาเทียมสำหรับคนพิการแบบปรับอัตราหน่วงได้นั้น ได้ให้คนพิการทำการปรับอัตราหน่วงให้เหมาะสมในการก้าวเดินตามความเร็วต่างๆ แล้ว ผู้ใช้งานขาเทียมฟีโบ้มีความพอใจ

ปัจจุบันสถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม อยู่ระหว่างการหารือกับผู้ผลิตของไทยเพื่อถ่ายทอดเทคโนโลยีไปสู่การผลิตจำนวนมาก (Mass Production) ครับ

ท่านผู้อ่านสามารถส่งข้อคิดเห็น/เสนอแนะมาที่ผู้เขียนที่ djitt@fibo.kmutt.ac.th

http://th.wikipedia.org/wiki/ชิต_เหล่าวัฒนา

twitter: @Dr_Djitt