اسکلت بیرونی
اشتراک گذاری با دوستان
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در whatsapp

وضعیت: باز

  شماره سند:

  تاریخ انتشار: ۱۴۰۰/۰۳/۲۹

  مهلت ارسال پیشنهاد: ۱۴۰۰/۰۴/۲۵

  فرصت‌ها: براساس پیشنهاد‌ها قابل‌ مذاکره خواهد بود.

 تماس : ۰۲۱۸۸۳۹۸۵۶۳ – ۰۲۱۸۸۳۹۸۵۴۳

  ارسال پروپوزال‌ها: https://ghazal.inif.ir/grant

ضرورت مسئله

افراد قطع نخاع از ناحیه پشتی (پاراپلژی) مبتلا به فلج کامل پاها و تنه در هر دو سمت (هر دو پا) هستند، درعین‌حال دارای دست‌های سالمی هستند. آسیب نخاعی زیر سطح مهره اول پشتی (T1) موجب ضعف عضلانی و حسی تنه و پاها می‌شوند و بخش عمده‌ای از توانایی‌های خود را از دست می‌دهد و با مشکلات فراوانی دست‌وپنجه نرم می‌کنند. صندلی چرخ‌دار برخی از مشکلات دسترسی این بیماران را حل می‌کند، اما نشستن دائم روی صندلی چرخ‌دار باعث بروز عوارض متعددی می‌شود که چند عارضه مهم آن عبارت است از:

  • زخم بستر
  • پوکی استخوان (پا)
  • اختلال در سیستم گوارشی
  • عفونت کلیه
  • پوکی استخوان

این عوارض، مشکلات جانبی بیمار پاراپلژیک است. به همین دلیل پزشکان به این بیماران توصیه می‌کنند که در طول روز ساعتی را (حداقل یک ساعت) فقط بایستند و بهتر است با کمک وسایلی مثل بریس و واکر، حتی راه بروند.

انتظار می‌رود در آینده نزدیک و با توسعه فناوری اسکلت بیرونی، بیمار پاراپلژیک بتواند تمام کارهای روزمره خود را با آن انجام دهد، درنتیجه عوارض استفاده از صندلی چرخ‌دار به حداقل خود خواهد رسید.

در ایران به‌خصوص به دلیل آمار بالای تصادفات، تعداد قابل‌توجهی از جمعیت جوان کشور دچار این مشکل می‌شوند و لذا توسعه این فناوری از ارزش والایی برخوردار است. همچنین کشورهای منطقه به دلیل جنگ‌های اخیر می‌توانند توجیه اقتصادی توسعه این فناوری را بالاتر ببرند.

مشروح مسئله تحقیقاتی

شرکت دانش‌بنیان متقاضی موفق به توسعه فناوری اسکلت بیرونی شده است که در مراکز درمانی و توان‌بخشی مورداستفاده قرار می‌گیرد و توسط کاربر پوشیده می‌شود. ربات توسعه‌یافته، مورداستفاده بیماران ضایعه نخاعی و افرادی است که در ناحیه پایین‌تنه دچار اختلالات حسی و حرکتی هستند. این افراد به کمک این دستگاه قادر به راه رفتن خواهند بود.

شکل 1- اسکلت بیرونی توسعه‌یافته توسط شرکت متقاضی- نمونه درمانگاهی

ربات فوق از اجزاء زیر تشکیل شده است:

  1. گیربکس هارمونیک
  2. موتورهای BLDC
  3. درایو موتورها
  4. برد دیسکاوری (کنترلر مرکزی)
  5. باتری
  6. برد پاور با قابلیت BMS
  7. کنترلر دستی

 

در کاربرد درمانگاهی، نمونه موجود دارای ویژگی‌های زیر می‌باشد:

  1. با توجه به آنکه ربات توسط بیماران مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد، لینک‌های اصلی (ران و ساق) متناسب با قد بیمار تنظیم می‌شود، ازاین‌رو دارای مکانیزم تنظیم طول مورد نیاز است.
  2. ربات می‌تواند حداقل 4 ساعت بدون نیاز به تعویض باتری کار کند. همچنین با توجه به داشتن باتری یدک می‌تواند در صورت اتمام حین کار، جابجا شود.
  3. تنوع استفاده‌کنندگان، این الزام را ایجاد می‌کند که توان ربات به شکل بیشتر از نیاز (over design) انتخاب شود. توضیح اینکه استفاده از ربات نیازمند آموزش است. در مراحل اولیه آموزش به دلیل اینکه کاربر به شکل غیر بهینه از ربات استفاده می‌کند، گشتاورهای مقاوم زیادتر از حد عادی است و لذا ربات برای اینکه همیشه با کاربران جدید آموزش ندیده آزمایش می‌شود، به این دلیل بیش‌ازحد عادی توان دارد. استفاده بهینه از ربات به این معناست که کاربر در اثر تمرین با دستگاه، آموخته است که هر وقت یک پایِ روبات روی زمین است، وزن خود را با کمک پارالل، واکر یا عصا، روی آن بیاندازد تا پای دیگر به‌راحتی قدم بردارد و وقتی پای دیگر به زمین رسید، بتواند به‌موقع وزن خود را به آن پا منتقل کند. وقتی کاربر هنوز این فرآیند را به‌طور عملی یاد نگرفته است، فشار زیادی به موتورهای دستگاه وارد می‌شود. به همین دلیل دستگاه باید بتواند برای چنین شرایطی جوابگو باشد. حداکثر گشتاور خروجی ربات موجود، 190 نیوتن متر است، درحالی‌که این عدد برای ربات‌های شخصی سازندگان خارجی بین 57 تا 95 نیوتن متر است.

همان‌طوری که اشاره شد، محصول ساخته‌شده برای استفاده در کلینیک‌ها و مراکز درمانی طراحی‌شده و فرض بر این است که کاربران مختلفی از آن استفاده می‌کنند یا یک کاربر در طول روز، یک جلسه یک‌ساعته یا حداکثر دو جلسه (با فاصله زمانی- مثلاً صبح و عصر) از آن استفاده می‌کند، مسئله وزن و حجم نسخه درمانگاهی، اگرچه مهم است اما در اولویت‌بندی اهداف طراحی، اولویت نخست نبوده است. (جرم ربات ساخته‌شده توسط این شرکت 31 کیلوگرم و حجم آن در شکل شماره 1 قابل‌مشاهده است.)

در حال حاضر شرکت متقاضی در نظر دارد که نسخه شخصی این ربات را نیز توسعه دهد، بنابراین تغییرات زیر باید مدنظر گرفته شود:

  • وزن ربات باید به حداقل برسد.
  • حجم ربات باید کمترین میزان برسد.
  • قیمت تمام‌شده باید طوری باشد که متناسب با قدرت خرید کاربران باشد.

در نمونه فعلی، نزدیک به 80 درصد از وزن ربات، مربوط به موتورها و گیربکس‌ها است (4 سری)، لذا برای کاهش وزن تمرکز باید روی آن‌ها (یا هر مکانیزم انتقال نیروی دیگر) باشد و مثلاً استفاده از فیبرکربن یا تایتانیوم برای کاهش وزن اسکلت ربات، فقط اثری 20 درصدی دارد. نکته مهم این است که یک راه بسیار ساده برای کاهش وزن بدون کاهش گشتاور، استفاده از موتورهای پرتوان و کم‌وزن ساخته شده از آلیاژ نئودونیوم است؛ اما در این حالت قیمت دستگاه ناگهان در حدود 3 برابر بیشتر می‌شود که این موضوع با توجه به عدم تناسب با قدرت خرید اکثریت کاربران، مطلوب نیست.

بنابراین مسئله این پروژه تحقیقاتی عبارت است از کاهش وزن، حجم و قیمت ربات موجود، با در نظر گرفتن سه نکته زیر:

  1. ربات مورد نظر مورد استفاده یک نفر به‌طور شخصی خواهد بود، لذا احتیاج به مکانیزم تنظیم طول ندارد. این خود باعث کاهش وزن و حجم خواهد شد.
  2. معمولاً یک فرد (حتی سالم) روزانه بیش از یک ساعت راه نمی‌رود؛ بنابراین باتری موردنیاز کافی است برای عملکرد یک ساعت و نیم (با ضریب اطمینان) طراحی شود. این امر باعث کاهش وزن و حجم باتری نسبت به نمونه موجود می‌شود. همچنین وجود یک باتری یدک مثل نمونه موجود الزامی نیست، چون کاربر به‌احتمال‌زیاد پس از یک ساعت راهپیمایی در روز خسته می‌شود و در محل کار یا خانه استراحت می‌کند که این زمان خوبی برای شارژ باتری است. عدم نیاز به باتری یدک به نوبه خود قیمت را کاهش می‌دهد.
  3. این ربات مخصوص یک نفر خواهد بود و بنا نیست به شکل مستمر با افرادی تست شود که آموزش ندیده‌اند. حداکثر یک‌بار خود کاربر اصلی دوره آموزشی را با این ربات می‌گذراند که آن‌هم چون در کلینیک خواهد بود، کسری توان موردنیاز به دلیل وزن اندازی ناصحیح، با کمک فیزیوتراپ یا کاردرمانگر حاضر جبران می‌شود تا کاربر به سطح استفاده صحیح از ربات برسد و بتواند با ربات به‌خوبی راه برود. لذا overdesign نمونه موجود در اینجا نیاز نیست و این خود باعث کم شدن توان موردنیاز و درنتیجه وزن و نیز قیمت دستگاه می‌شود.
  4. همچنین باید گفت در نسخه درمانگاهی، کاربر باید بتواند با کمک دستگاه از روی صندلی بلند شود، چراکه در درمانگاه این امکان وجود ندارد که کاردرمانگر بتواند هر بیمار را با انرژی خود از صندلی بلند کند، زیرا این امر فشار زیادی به کاردرمانگر وارد می‌کند؛ اما در نسخه شخصی، همراه کاربر می‌تواند در هر کورس پیاده‌روی یک‌بار به کاربر برای بلند شدن کمک کند و لذا ربات لازم نیست گشتاور نسبتاً زیاد مربوط به بلند شدن از روی صندلی را تأمین کند و این خود عاملی برای سبک شدن است.

لازم به توضیح است که نکات فوق، منطبق بر تجربه موجود شرکت متقاضی در این زمینه است، اما ممکن است ارائه‌دهندگان پروپوزال از ابتدا مکانیزم دیگری برای زنجیره انتقال حرکت (drive train) پیشنهاد دهند که به‌مراتب کاراتر از مکانیزم موجود به‌منظور کاهش وزن، حجم و قیمت باشد. لذا تأکید می‌شود که این نکات فقط به‌عنوان پیشنهاد در نظر گرفته شده است و راهکارهای نوین دیگر نیز مورد استقبال قرار خواهد گرفت. لازم به ذکر است که در صورت نیاز امکان بازدید از ربات موجود ساخته شده توسط شرکت دانش‌بنیان متقاضی فراهم است.

گام‌های تحقیق

  • ارائه پیشنهاد یا پیشنهادهایی در خصوص مکانیزم انتقال حرکت که متضمن کاهش وزن، حجم و قیمت ربات باشد.
  • طراحی مفهومی مکانیکی، مبتنی بر پیشنهادهای ارائه شده
  • طراحی اجزاء مکانیکی مبتنی بر طراحی مفهومی
  • طراحی مدارات الکترونیکی، مبتنی بر پیشنهاد‌های ارائه‌شده
  • سفارش و ساخت اجزاء (مکانیکی و الکترونیکی)
  • مونتاژ قطعات و اجزاء
  • تست اولیه هریک از محورها (عملگرها) به‌طور مجزا
  • رفع ایرادات احتمالی عملگرها
  • مونتاژ نهایی پس از رفع عیوب
  • پیاده‌سازی GAIT (گیت GAIT به معنای توالی عملگرهای درگیر در فرآیند راه رفتن و نمودار زمانی موقعیت، سرعت و شتاب هر یک از عملگرها در محور زمان است. با توجه به اینکه شرکت دانش‌بنیان متقاضی دانش فنی این بخش کار را کسب کرده است، پیشنهاددهنده می‌تواند از این قسمت چشم‌پوشی کند)
  • آزمایش نمونه با فرد سالم
  • آزمایش نمونه با فرد بیمار
  • تحویل پروتوتایپ و مدارک طراحی (تشریح روش‌های ساخت اجزاء به شکل مکتوب و فیلم آزمایش‌های نمونه ساخته‌شده با فرد سالم و بیمار)

راهکارهای غیر جذاب

  • هزینه خرید و تأمین چهار عدد موتور، گیربکس راه‌انداز موتور و المان اندازه‌گیری موقعیت (انکودر، هال سنسور و …) یا هر مکانیزم دیگر برای زنجیره انتقال حرکت بیشتر از 50 میلیون تومان
  • پیشنهاد مکانیزمی که لازمه ساخت آن فاصله بیش از 40 سانتی‌متر بین مفصل زانو و مفصل ران باشد.

خروجی‌های مورد انتظار تحقیق

  • طراحی مکانیکی عملگر مورداستفاده در ربات برای کم کردن حجم و عرض ربات به‌صورت یکپارچه، شامل نقشه‌ها و همچنین نکات مهم در طراحی
  • ارائه نقشه شماتیکی و مونتاژی بردهای قدرت، راه‌انداز و کنترلی ربات در ابعاد حداقلی
  • اجرای سخت‌افزاری بردهای فوق
  • ارائه طراحی سخت‌افزار در قالب مچ‌بند، عصا یا واکر هوشمند برای ارسال دستورات و کنترل ربات توسط توان یاب
  • ارائه طراحی سخت‌افزاری سیستم کنترل ربات مبتنی بر میکروکنترلر stmf429
  • ساخت نمونه اولیه (پروتوتایپ)

الزامات تحقیق

  • جرم نهایی دستگاه حداکثر 25 کیلوگرم
  • تحمل جرم بیمار حداکثر 100 کیلوگرم
  • قابلیت تنظیم برای قد بیماران از 150 الی 190 سانتی‌متر
  • مداومت عملکرد باتری 1.5 ساعت
  • بیرون‌زدگی حداکثر از طرفین پایین‌تنه: هر طرف CM10
  • حداکثر ضخامت جعبه پشت (بک پک): CM6 (جعبه پشتی محل قرار گرفتن باتری، سیستم کنترلی و مدارهای الکتریکی و الکترونیکی است که کاربر مانند کوله‌پشتی از آن استفاده می‌کند)
  • تخمین قیمت تمام‌شده با روش‌های ساخت پیشنهادی، دربازه 150 میلیون تومان

تجهیزات و زیرساخت‌هایی که متقاضی تحقیق می‌تواند در اختیار مجری قرار دهد

  • با توجه به دانش فنی موجود در شرکت متقاضی، درصورتی‌که طراحی و نمونه‌سازی سخت‌افزاری اجزاء مکانیکی و الکترونیکی با نیل به اهداف کمی ارائه شده انجام شود، شرکت متقاضی می‌تواند GAIT موردنظر برای پیاده‌سازی الگوی راه رفتن را روی نمونه ساخته‌شده پیاده کند؛ بنابراین پیشنهاددهنده می‌تواند انجام این قسمت را از اسکوپ کاری خود خارج کند.
  •  

معیارهای ارزیابی و انتخاب مجری

  • تحصیلات و سوابق تیم تحقیقاتی و تناسب آن با مسئله
  • رویکرد فنی تیم تحقیقاتی به مسئله
  • دسترسی به تجهیزات آزمایشگاهی و مواد اولیه و سایر الزامات اجرای تحقیق
  • زمان و هزینه اجرای تحقیق

تسهیم مالکیت فکری

  • مالکیت معنوی: مجری در مالکیت معنوی ناشی از اجرای تحقیق سهیم خواهد بود و انتشار مقاله مشترک توسط مجری و متقاضی در ژورنال‌های داخلی و خارجی، ارائه مقاله در کنفرانس‌ها و سمینارها با موافقت و اشاره به نام همه دست‌اندرکاران مجاز خواهد بود.
  • مالکیت منافع مادی: با توجه به مدل کسب‌وکار شرکت متقاضی، منافع مالی ناشی از توسعه این فناوری تماماً متعلق به شرکت متقاضی بوده و مجری صرفاً حق‌الزحمه اجرای پروژه تحقیقاتی را دریافت خواهد کرد.

روش ارسال پیشنهاد

پروپوزال‌ها صرفاً باید در چارچوب موردنظر صندوق نوآوری و شکوفایی، تدوین و حداکثر تا تاریخ 25/04/1400 در سامانه غزال به آدرس https://ghazal.inif.ir/grant ارسال شوند. پروپوزال‌هایی که در چارچوبی غیرازآن، یا به روش‌های دیگر به دست صندوق برسند، وارد فرایند ارزیابی نخواهند شد.