شبیه سازی نیروهای تعاملی یک دستگاه توانبخشی راه رفتن با مدل اسکلتی-عضلانی انسان

نوع مقاله : طرح پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران،تهران، ایران،

2 دانشیار،دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران

3 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید بهشتی

4 کارشناسی ارشد،آزمایشگاه آنالیز حرکت، تی یو دارمستات، آلمان

چکیده

امروزه با توجه به افزایش بیماران کم‌توان حرکتی،وجود ربات های توانبخشی ضروری است.برای بهبود طراحی دستگاه‌های توانبخشی، مدل‌های اسکلتی-عضلانی به طور گسترده‌ای جهت تجزیه وتحلیل نیرو‌های تعاملی بین بدن و این دستگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.دراین مقاله بااستفاده از نرم افزار اپن سیم،به مدلسازی یک دستگاه توانبخشی به همراه یک مدل اسکلتی-عضلانی بدن پرداخته شده‌است.این دستگاه توانبخشی پیشتر براساس مکانیزم تک درجه آزادی جنسن باهشت عضو طراحی شده‌است ودارای سیستم تعلیق وزن برای حمایت از وزن بیمار می‌باشد.این دستگاه توانبخشی برای هردو طرف چپ و راست بدن صرفااز یک محرک بهره می‌بردکه محور چرخان مکانیزم‌ها را دوران می‌دهد.به منظور بررسی نیروهای تعاملی بین دستگاه و بدن،از شبیه‌سازی سینماتیک و دینامیک مستقیم استفاده شده و زوایای مفاصل به دست آمده‌است.سپس به شبیه سازی دینامیک معکوس به کمک نرم افراز پرداخته شده ومیزان نیروها و گشتاورهای وارد شده درنقاط تماسی و مفاصل برای هر بازه زمانی تخمین زده شده‌اند.نتایج نشان می‌دهد که میزان نیرو‌های تعاملی در نقطه تماس ران با صندلی حدود 750 نیوتن است که متناسب با وزن کاربر که 75 کیلوگرم در نظر گرفته شده است می‌باشد.همچنین نیرو و گشتاور‌‌های بدست آمده در نقطه اتصال پا با پدال، حدود 16 نیوتن در جهت قائم می‌باشد که ناشی از وزن کاربر و دستگاه است و سایر مولفه‌های آن در حدود 2 نیوتن بوده که در مقایسه با مولفه قائم ناچیز است. همچنین میزان گشتاور تولید شده در محل اتصال پدال به پا حدود 0.01 نیوتن متر می‌باشد. نتایج این پژوهش، می‌تواند کمک شایانی به بهبود طراحی و بهینه‌سازی دستگاه توانبخشی نماید.

کلیدواژه‌ها


]1[ م.ه. کاردان، م. ایرانی رهقی (1395) کنترل و مانیتورینگ ربات فیزیوتراپ بر پایه PLC به منظور توانبخشی اندام تحتانی. MME
]2[ عرشی، ف. اسکندری، م. نظری ندوشن،ف. نواب مطلق (1396) ارزیابی حرکت اگزواسکلتون پایین تنه به منظور توانبخشی راه رفتن. ISC-Mechaero
[3] West, R.G. (2004)  Powered gait orthosis and method of utilizing same. Google Pat.
[4] S. Freivogel, J. Mehrholz, T. Husak-Sotomayor, D. Schmalohr (2008) Gait training with the newly developed ‘LokoHelp’-system is feasible for non-ambulatory patients after stroke, spinal cord and brain injury. A feasibility study, Brain Inj.
[5] K.P. Westlake, C. Patten (2009) Pilot study of Lokomat versus manual-assisted treadmill training for locomotor recovery post-stroke. JNER.
[6] Susko, T. and H.I. Krebs (2014)  MIT-Skywalker: A novel environment for neural gait rehabilitation. IEEE
[7] Inaki Dıaz, Jorge Juan Gil, Emilio Sanchez (2011) Lower-Limb Robotic Rehabilitation: Literature Review and Challenges, J. Robot.
[8] Colombo, M. Joerg, R. Schreier, V. Dietz (2000) Treadmill training of paraplegic patients using a robotic orthosis. J Rehabil Res Dev.
[9] H. Schmidt, C. Werner, R. Bernhardt, S. Hesse, J. Kruger (2007) Gait rehabilitation machines based on programmable footplates. JNER.
[10] Y. Allemand, Y. Stauffer, R. Clavel, R. Brodard (2009) Design of a new lower extremity orthosis for overground gait training with the WalkTrainer. Rehabilitation Robotics International Conference, IEEE
[11] K.H. Seo, J.J. Lee (2009) The development of two mobile gait rehabilitation systems. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabilitation Eng.
[12] J. Kim, S. Hwang, Y. Kim (2007) Development of an active ankle-foot orthosis for hemiplegic patients, ACM.
[13] M.R. Sabaapour, H. Lee, M.R. Afzal, A. Eizad (2019) Development of a Novel Gait Rehabilitation Device with Hip Interaction and a Single DOF Mechanism. ICRA, IEEE
[14] A. Cohen, Yizhar Or (2017) Modeling the dynamics and control of rehabilitative exoskeleton with robotic crutches, SAGE Journal
[15] M. Mansouri, J.A. Reinbolt (2012) A platform for dynamic simulation and control of movement based on OpenSim and MATLAB, J. Biomech.
[16] M. Khamar, M. Edrisi, M. Zahiri (2019) Human-exoskeleton control simulation, kinetic and kinematic modeling and parameters extraction, MethodX
[17] M.A. Lemay, P.E. Crago (1996) A dynamic model for simulating movements of the elbow, forearm, an wrist. J.Biomech
[18] K.R. Holzbaur, W.M. Murray, S.L. Delp (2005) A model of the upper extremity for simulating musculoskeletal surgery and analyzing neuromuscular control. Ann Biomed Eng.
[19] S.L. Delp, F.C. Anderson, A.S. Arnold, P. Loan, A. Habib, C.T. John, E. Guendelman, D.G. Thelen ( 2007) OpenSim: open-source software to create and analyze dynamic simulations of movement. TBME.
[20] S.L. Delp, J.P. Loan (1995) A graphics-based software system to develop and analyze models of musculoskeletal structures. Comput. Biol. Med.
[21] S.L. Delp,  J.P. Loan, M.G. Hoy, F.E. Zajac, E.L. Topp, J.M. Rosen (1990) An interactive graphics-based model of the lower extremity to study orthopedic surgical procedures. TBME.
[22] M. DeZee, L. Hansen, C. Wong, J. Rasmussen, E.B. Simonsen (2007) A generic detailed rigid-body lumbar spine model. J. Biomech.
[23] D.G. Thelen, F.C. Anderson (2006) Using computed muscle control to generate forward dynamic simulations of human walking from experimental data. J. Biomech.
[24] S.R. Hamner, A. Seth, S.L. Delp (2010) Muscle contributions to propulsion and support during running. J. Biomech.
[25] D. Kruger, S. Wartzack (2017) A contact model to simulate human-artifact interaction based on force optimization: implementation and application to the analysis of a training machine. CMBBE.
[26] S. Zhang, A. Wang, Z. Ma, J. Yu, W. Li, Y. Wang (2021) Human Gait Process Analysis and Rehabilitation Robot Humanoid Control Based on OpenSim. PeerJ Comput. Sci.
[27] D. Mosconi, M. Moreira, A.A.G. Siqueira (2022) Towards optimal trajectories for knee flexion-extension training. USP.
 
[31] G. Bovi, M. Rabuffetti, P. Mazzoleni, M. Ferrarin (2010) A multiple-task gait analysis approach: kinematic, kinetic and EMG reference data for healthy young and adult subjects. Gait Posture.