International Science and Technology Journal

Home < Articles < Article Details

Low-Cost Assistive Robotic Arm for Independent Feeding in a Home Environment

الملخص
تقدم هذه الدراسة نموذجًا أوليًا منخفض التكلفة لذراع آلية مساعدة تهدف إلى تمكين الأشخاص ذوي الإعاقة الحركية من تناول الطعام بصورة أكثر استقلالية في البيئة المنزلية، وتقليل اعتمادهم على مقدمي الرعاية. يعتمد النظام على حاسوب Raspberry Pi 4 لتنفيذ مهام المعالجة والتحكم عالية المستوى، ولوحة Arduino لتنفيذ مهام التحكم منخفضة المستوى، إلى جانب منظومة ميكانيكية تضم ست محركات مؤازرة، تُستخدم أربعة منها لتنفيذ تسلسل حركات التغذية المحدد. كما يشتمل النظام على مستشعر الموجات فوق الصوتية HC-SR04 لقياس المسافات، وكاميرا USB للمراقبة البصرية، ووحدة ESP8266 للاتصال والمراقبة اللاسلكية. يتكون تسلسل الحركة من ثماني وضعيات تحكم محددة مسبقًا، تشمل ست خطوات لتنفيذ حركة التغذية وخطوتين للعودة. وأظهر التحليل باستخدام برنامج MATLAB أن نطاقات الزوايا المأمور بها للمحركات المؤازرة الأربعة الفعالة تراوحت بين 100 و140 درجة للمحرك الأول، وبين 80 و180 درجة للمحرك الثاني، وبين 80 و175 درجة للمحرك الثالث، وبين 0 و180 درجة للمحرك الرابع، في حين بقي المحركان الخامس والسادس عند زاوية صفر درجة طوال تسلسل الحركة المدروس. أظهرت الاختبارات الوظيفية قدرة النموذج الأولي على تنفيذ تسلسل حركات نقل الطعام إلى موضع التغذية، إلى جانب التشغيل الوظيفي لوحدات الاستشعار والاتصال. ونظرًا إلى أن البيانات المتاحة تقتصر على زوايا الحركة المأمور بها، دون توافر قياسات فعلية راجعة من مشفرات مواضع المحركات، لم تتضمن الدراسة تقييمًا كميًا لدقة تتبع المسار، أو قابلية تكرار الحركة، أو زمن دورة التغذية، أو قوى التصادم. وتخلص الدراسة إلى أن النموذج المقترح يمثل منصة هندسية أولية منخفضة التكلفة وقابلة للتطوير، يمكن الاستفادة منها مستقبلًا في تطبيق تقنيات التحكم ذي الحلقة المغلقة، وتحديد موضع فم المستخدم باستخدام تقنيات الرؤية الحاسوبية، وإجراء اختبارات كمية لتقييم السلامة والأداء، فضلًا عن تنفيذ تجارب عملية بمشاركة المستخدمين للتحقق من كفاءة النظام وملاءمته للاستخدام المنزلي.................................... الكلمات المفتاحية:...... الروبوتات المساعدة؛ التغذية المستقلة؛ الأذرع الروبوتية منخفضة التكلفة؛ التحكم المضمن؛ التفاعل بين الإنسان والروبوت؛ المساعدة المنزلية؛ درجات الحرية.
Abstract
Assistive feeding robots can reduce caregiver dependence, but cost, complexity, and safe deployment remain barriers to home use. This study presents a low-cost, modular feeding prototype that integrates Raspberry Pi 4 high-level processing, Arduino low-level actuation, a six-servo mechanical assembly with four joints active in the standard feeding sequence, HC-SR04 distance sensing, a USB camera, and an ESP8266-based monitoring subsystem. The feeding task was implemented as eight commanded configurations (six forward and two return steps) and analyzed in MATLAB. The active joints covered commanded ranges of 100-140° (Servo 1), 80-180° (Servo 2), 80-175° (Servo 3), and 0-180° (Servo 4), corresponding to spans of 40°, 100°, 95°, and 180°, respectively; Servos 5 and 6 remained at 0° in the analyzed sequence. Functional bench tests confirmed execution of the documented food-transfer sequence and operation of the sensing and communication subsystems. Because the available record contains commanded rather than measured encoder trajectories, tracking-error, repeatability, cycle-time, and collision-force claims are not made. The prototype therefore establishes a reproducible low-cost platform for subsequent closed-loop trajectory control, vision-based mouth localization, quantitative safety validation, and user trials....................... Keywords:..... assistive robotics, feeding robot, low-cost robotic arm, embedded control, human–robot interaction, home assistance, Degrees of Freedom (DOF).