“ผมอยากประดิษฐ์วีลแชร์ที่เดินได้ วีลแชร์ปกติเคลื่อนที่ได้ตามทางปกติเท่านั้น แต่ขึ้นรถเมล์ไม่ได้ ขึ้นลงบันไดไม่ได้ ผมเลยมองว่าถ้าวีลแชร์สามารถพับขึ้นมาแล้วช่วยให้ผู้นั่ง ลุกขึ้นมาเดินได้ ก็จะทำให้ผู้ที่มีปัญหาทางการเคลื่อนไหวเดินได้สะดวกขึ้น”

รศ.ดร.รณพีร์ ชัยเชาวรัตน์ อาจารย์จากสำนักบริหารหลักสูตรวิศวกรรมนานาชาติ คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย กล่าวถึงแนวคิดในการประดิษฐ์นวัตกรรม ซึ่งถือได้ว่าเป็นหุ่นยนต์ Wheelchair Exoskeleton ตัวแรกของโลกที่สร้างโดยฝีมือคนไทย โดยหุ่นยนต์ตัวนี้ได้รับการสนับสนุนทุนวิจัยจากสำนักการวิจัยแห่งชาติในปี พ.ศ. 2564 – 2565 และล่าสุด ได้ผ่านเข้ารอบสุดท้ายในโครงการรางวัลนักเทคโนโลยีรุ่นใหม่ ประจำปี 2567 จัดโดยมูลนิธิส่งเสริมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในพระบรมราชูปถัมภ์

หุ่นยนต์ Wheelchair Exoskeleton คืออะไร? : รศ.ดร.รณพีร์ กล่าวว่า Wheelchair Exoskeleton เป็นหุ่นยนต์สวมใส่บนร่างกายเพื่อช่วยการเคลื่อนไหวของมนุษย์ มีลักษณะเป็นได้ทั้งวีลแชร์และแปลงเป็นหุ่นยนต์ โดยชื่อ Exoskeleton มาจาก 2 คำ คือ Exo แปลว่าข้างนอก และ Skeleton แปลว่าโครงกระดูก เมื่อรวม 2 คำนี้ด้วยกัน แปลได้ตรงตัวว่า “โครงกระดูกภายนอก” จะว่าไปแล้วไอเดียก็คล้ายกับไอรอนแมน ที่เมื่อสวมใส่แล้วจะช่วยให้ผู้สวมใส่มีพละกำลังมากกว่าเดิม ในทางเทคนิคคือการใช้เครื่องจักรกลประกอบหุ่นยนต์ให้ผู้สวมใส่สามารถออกแรงได้มากขึ้น

จาก concept design ดังกล่าว รศ.ดร.รณพีร์ ออกแบบชิ้นส่วนทุกชิ้นของหุ่นยนต์อย่างละเอียด โดยใช้โปรแกรมสามมิติจากคอมพิวเตอร์ และหาซื้อวัสดุเอง ซึ่งอาจารย์รณพีร์เลือกใช้คาร์บอนไฟเบอร์ ที่มีน้ำหนักเบาและผลิตโดยเครื่องพิมพ์สามมิติบางชิ้นส่วนตัดโดยเครื่องกลึง CNC (ComputerNumerical Control) เมื่อผลิตชิ้นส่วนต่างๆ ของหุ่นยนต์ครบแล้ว ก็นำมาประกอบเป็นตัวหุ่น ต่อไปก็เป็นเรื่องของการควบคุมการเคลื่อนไหว ซึ่งแบ่งเป็น 2 ส่วน ส่วนแรก คือ ล้อ ซึ่งได้กลุ่มนิสิตมาเขียนโปรแกรมล้อหน้าให้สามารถวิ่งตรงและเลี้ยวโค้งได้ ส่วนที่สองเป็นมอเตอร์ควบคุมข้อต่อสะโพกกับหัวเข่า ที่อาจารย์รณพีร์เขียนโปรแกรมควบคุมเอง

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

ผสานกลไกเข้ากับกายวิภาคมนุษย์ :กว่าจะเป็นหุ่นยนต์ต้นแบบ Wheelchair Exoskeleton รศ.ดร.รณพีร์ผสานความรู้ทั้งด้านวิศวกรรมศาสตร์การประดิษฐ์หุ่นยนต์และสรีรศาสตร์ของมนุษย์เข้าด้วยกัน โดยการออกแบบหุ่นยนต์ประเภท Exoskeleton ความท้าทายสำคัญคือ “ต้องคำนึงถึงอวัยวะของผู้สวมใส่และหุ่นให้ไปด้วยกันได้” สวมแล้วไม่ยืดหรือไม่หด ไม่ระคายผิวหนัง ทุกครั้งที่เหวี่ยงขาจริง Exoskeleton ก็ต้องเหวี่ยงไปด้วย เวลางอหัวเข่า หัวเข่าของหุ่นยนต์ก็ต้องงอไปพร้อมกัน

“เราใช้หลักการ Kinematics Compatibility หรือความเข้ากันได้เชิงจลศาสตร์ในการออกแบบหุ่นสวมใส่บนร่างกาย กระดูกคนเป็นกระดูกถ้วยกับกระดูกก้อนที่มาสไลด์กัน แต่กลไกมอเตอร์ หมุนรอบแกนหมุนแกนเดียว เมื่อเอามอเตอร์มาติด จะไม่สอดคล้องกับสรีระคนโดยตรง เราจึงออกแบบข้อต่อหัวเข่าให้เป็น Linkageเพื่อให้เส้นทางการเคลื่อนที่ของจุดศูนย์กลางการหมุน สามารถเลียนแบบกระดูกจริงข้อต่อที่มีการงอขาเยอะๆ ก็ใช้ Four-barLinkage เพื่อให้จุดหมุนเปลี่ยนไปตามข้อต่อได้” รศ.ดร.รณพีร์ ระบุ

นอกจากนี้ รศ.ดร.รณพีร์ ยังใช้ความรู้เรื่อง Biomechanic หรือชีวกลศาสตร์ ซึ่งสามารถคำนวณแรงบิดที่เกิดขึ้นจากรอบข้อเท้าหัวเข่า และสะโพกได้ เพื่อนำข้อมูลไปสร้างหุ่นยนต์ที่เหมาะสมกับสรีระของคน แต่ในแง่ความสวยงามคงต้องการความรู้ฝั่งสถาปัตยกรรมศาสตร์มาช่วยออกแบบหุ่นยนต์ และเมื่อจะนำหุ่นยนต์ไปใช้งานจริง ฝ่ายสหเวชศาสตร์คงต้องเข้ามาช่วยแนะนำผู้สูงอายุและผู้ป่วยต่อไป

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

จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย