จุฬาฯ เปิดตัว วีลแชร์เดินได้ Wheelchair Exoskeleton หุ่นยนต์สวมใส่เดินได้

รองศาสตราจารย์ ดร.รณพีร์ ชัยเชาวรัตน์ อาจารย์จากสำนักบริหารหลักสูตรวิศวกรรมนานาชาติ คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย กล่าวถึงแนวคิดในการสร้าง “ห้องปฏิบัติการหุ่นยนต์” ว่า “นี่เป็น Alternative Solution ของการศึกษา ผมสร้างห้องแล็บและสิ่งแวดล้อมที่มีเครื่องมือให้นิสิตได้ประกอบหุ่นยนต์ในเวลาว่างจากการเรียน เราเน้น “Proof of Concept” คือนิสิตต้องนำเสนอแนวคิดที่อยากทำในที่ประชุม แล้วค่อยทดลองทำ ก่อนที่จะนำนวัตกรรมไปทดสอบกับผู้ใช้งานจริง”

“ผมอยากประดิษฐ์วีลแชร์ที่เดินได้ วีลแชร์ปกติเคลื่อนที่ได้ตามทางปกติเท่านั้น แต่ขึ้นรถเมล์ไม่ได้ ขึ้นลงบันไดไม่ได้ ผมเลยมองว่าถ้าวีลแชร์สามารถพับขึ้นมาแล้วช่วยให้ผู้นั่ง ลุกขึ้นมาเดินได้ ก็จะทำให้ผู้ที่มีปัญหาทางการเคลื่อนไหวเดินได้สะดวกขึ้น” รศ.ดร.รณพีร์กล่าวถึงแรงบันดาลใจในการประดิษฐ์นวัตกรรม ซึ่งถือได้ว่าเป็นหุ่นยนต์ Wheelchair Exoskeleton ตัวแรกของโลกที่สร้างโดยฝีมือคนไทย

หุ่นยนต์ตัวนี้ได้รับการสนับสนุนทุนวิจัยจากสำนักการวิจัยแห่งชาติในปี พ.ศ. 2564 – 2565 และล่าสุด ได้ผ่านเข้ารอบสุดท้ายในโครงการรางวัลนักเทคโนโลยีรุ่นใหม่ ประจำปี 2567 จัดโดยมูลนิธิส่งเสริมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในพระบรมราชูปถัมภ์

หุ่นยนต์ Wheelchair Exoskeleton คืออะไร?

รศ.ดร.รณพีร์กล่าวว่า Wheelchair Exoskeleton เป็นหุ่นยนต์สวมใส่บนร่างกายเพื่อช่วยการเคลื่อนไหวของมนุษย์ มีลักษณะเป็นได้ทั้งวีลแชร์และแปลงเป็นหุ่นยนต์

“ชื่อ Exoskeleton มาจาก 2 คำ คือ Exo แปลว่าข้างนอก และ Skeleton แปลว่าโครงกระดูก เมื่อรวม 2 คำนี้ด้วยกัน แปลได้ตรงตัวว่า “โครงกระดูกภายนอก” จะว่าไปแล้วไอเดียก็คล้ายกับไอรอนแมน ที่เมื่อสวมใส่แล้วจะช่วยให้ผู้สวมใส่มีพละกำลังมากกว่าเดิม ในทางเทคนิคคือการใช้เครื่องจักรกลประกอบหุ่นยนต์ให้ผู้สวมใส่สามารถออกแรงได้มากขึ้น”

จาก concept design ดังกล่าว รศ.ดร.รณพีร์ออกแบบชิ้นส่วนทุกชิ้นของหุ่นยนต์อย่างละเอียด โดยใช้โปรแกรมสามมิติจากคอมพิวเตอร์ และหาซื้อวัสดุเอง ซึ่งอาจารย์รณพีร์เลือกใช้คาร์บอนไฟเบอร์ ที่มีน้ำหนักเบาและผลิตโดยเครื่องพิมพ์สามมิติ บางชิ้นส่วนตัดโดยเครื่องกลึง CNC (Computer Numerical Control)

เมื่อผลิตชิ้นส่วนต่าง ๆ ของหุ่นยนต์ครบแล้ว ก็นำมาประกอบเป็นตัวหุ่น ต่อไปก็เป็นเรื่องของการควบคุมการเคลื่อนไหว ซึ่งแบ่งเป็น 2 ส่วน ส่วนแรก คือ ล้อ ซึ่งได้กลุ่มนิสิตมาเขียนโปรแกรมล้อหน้าให้สามารถวิ่งตรงและเลี้ยวโค้งได้ ส่วนที่สองเป็นมอเตอร์ควบคุมข้อต่อสะโพกกับหัวเข่า ที่อาจารย์รณพีร์เขียนโปรแกมควบคุมเอง

“หุ่นยนต์มีลักษณะเป็นหุ่นยนต์ไฮบริดแบบใหม่ ผสมผสานรถเข็นและ Exoskeleton เข้าด้วยกัน ขาช่วงล่าง สามารถเปลี่ยนโหมดการใช้งานได้ระหว่างนั่งและเดิน โดยใช้มอเตอร์ช่วยในการเคลื่อนไหวของข้อต่อสะโพกและหัวเข่า ส่วนข้อต่อข้อเท้าเป็นข้อต่ออิสระ ไม่มีการขับเคลื่อน ล้อซ้ายและขวาสามารถเก็บเข้าไปในส่วนขาส่วนล่าง เพื่อเปลี่ยนเป็นท่าเดินหรือข้ามสิ่งกีดขวาง” รศ.ดร.รณพีร์อธิบายการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์

ผสานกลไกเข้ากับกายวิภาคมนุษย์

กว่าจะเป็นหุ่นยนต์ต้นแบบ Wheelchair Exoskeleton รศ.ดร.รณพีร์ผสานความรู้ทั้งด้านวิศวกรรมศาสตร์การประดิษฐ์หุ่นยนต์และสรีรศาสตร์ของมนุษย์เข้าด้วยกัน

“การออกแบบหุ่นยนต์ประเภท Exoskeleton ต้องคำนึงถึงอวัยวะของผู้สวมใส่และหุ่นให้ไปด้วยกันได้ สวมแล้วไม่ยืดหรือไม่หด ไม่ระคายผิวหนัง ทุกครั้งที่เหวี่ยงขาจริง Exoskeleton ก็ต้องเหวี่ยงไปด้วย เวลางอหัวเข่า หัวเข่าของหุ่นยนต์ก็ต้องงอไปพร้อมกัน” รศ.ดร.รณพีร์อธิบายข้อท้าทาย

“เราใช้หลักการ Kinematics Compatibility หรือความเข้ากันได้เชิงจลศาสตร์ในการออกแบบหุ่นสวมใส่บนร่างกาย กระดูกคนเป็นกระดูกถ้วยกับกระดูกก้อนที่มาสไลด์กัน แต่กลไกมอเตอร์ หมุนรอบแกนหมุนแกนเดียว เมื่อเอามอเตอร์มาติด จะไม่สอดคล้องกับสรีระคนโดยตรง เราจึงออกแบบข้อต่อหัวเข่าให้เป็น Linkage เพื่อให้เส้นทางการเคลื่อนที่ของจุดศูนย์กลางการหมุน สามารถเลียนแบบกระดูกจริง ข้อต่อที่มีการงอขาเยอะ ๆ ก็ใช้ Four-bar Linkage เพื่อให้จุดหมุนเปลี่ยนไปตามข้อต่อได้”

นอกจากนี้ รศ.ดร.รณพีร์ ใช้ความรู้เรื่อง Biomechanic หรือชีวกลศาสตร์ ซึ่งสามารถคำนวณแรงบิดที่เกิดขึ้นจากรอบข้อเท้า หัวเข่า และสะโพกได้ เพื่อนำข้อมูลไปสร้างหุ่นยนต์ที่เหมาะสมกับสรีระของคน

ในแง่ความสวยงาม คงต้องการความรู้ฝั่งสถาปัตยกรรมศาสตร์มาช่วยออกแบบหุ่นยนต์ และเมื่อจะนำหุ่นยนต์ไปใช้งานจริง ฝ่ายสหเวชศาสตร์คงต้องเข้ามาช่วยแนะนำผู้สูงอายุและผู้ป่วยต่อไป

ขณะนี้ รศ.ดร.รณพีร์ กำลังพัฒนาหุ่นยนต์ Wheelchair Exoskeleton ต้นแบบตัวที่สอง โดยแก้ไขเรื่องการนั่ง การลุกให้มั่นคงและเดินได้สะดวกกว่าเดิม และกำลังอยู่ระหว่างการยื่นขอจดทรัพย์สินทางปัญญา ขั้นตอนต่อจากนี้จะเป็นการทดสอบการใช้งานจริงกับผู้ป่วยและผู้สูงอายุ


อ่านบทความฉบับเต็มได้ที่ chula.ac.th/highlight/210855/