بررسي و بهبود عملكرد اگزواسكلتون كمكي مچ پا به هنگام راه رفتن با استفاده از روش‌هاي مبتني بر مدل‌سازي اسكلتي-عضلاني

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك-طراحي كاربردي

كارشناسي ارشد

يكي از حركات معمول و در عين حال پيچيده‌ي انسان، راه رفتن است. براي ايجاد حركت راه رفتن عضلات مختلفي درگير هستند كه در اين ميان عضلات پلانتر‌فلكشن‌ مچ‌پا نقش مهمي را بر عهده دارند. اين عضلات بيش از 50 درصد از كل انرژي مكانيكي مثبت را در پا فراهم كرده و بيش از 60 درصد از توان مكانيكي خروجي در مركز وزن بدن را بازنمايي مي‌كنند. بنابراين، يكي از راه‌هاي كاهش انرژي به هنگام راه‌رفتن، استفاده از اگزواسكلتون‌هاي‌ كمكي عضلات پلانتارفلكسور مي‌باشد. بررسي دقيق عملكرد اين اگزواسكتون‌ها نيازمند تحليل تئوري به كمك مدل‌هاي اسكلتي عضلاني است. در اين پايان نامه، يك مدل تئوري مناسب اسكلتي_عضلاني از مچ‌پاي انسان و عضلات در‌گير در حركت آن ارائه شده است تا به كمك آن بتوانيم به تحليل همزمان اگزواسكلتون و بدن پرداخته‌، ميزان اثر‌گذاري اگزواسكلتون را در بهبود راه‌رفتن بررسي نماييم. بر اين اساس ابتدا يك مدل اسكلتي عضلاني يك درجه‌آزادي دو بعدي از حركت مچ‌پا در صفحه‌ي پيشروي هنگام راه‌رفتن در نظر مي‌گيريم. سپس بر اساس نتايج به دست آمده از ميزان كرنش عضله‌ي سولئوس در تست آزمايشگاهي راه رفتن، به كمك مدل مرسوم هيل براي مدل‌سازي رياضي عضله، به محاسبه‌ي گشتاور ايجاد شده توسط اين عضله در راه رفتن مي‌پردازيم. پس از آن با در نظر گرفتن اگزو اسكلتون فنري كمكي، به تحليل همزمان مدل اسكلتي عضلاني و اگزواسكلتون پرداخته، ميزان اثر گذاري اگزواسكلتون را در كمك به راه رفتن با محاسبه‌ي گشتاور و انرژي عضلات به هنگام استفاده از اگزواسكلتون تعيين مي‌نماييم. از آنجا كه در حركت مچ پا در صفحه‌ي پيشروي سه گروه عضله اصلي، شامل دو عضله سولئوس و گسترونومئوس براي حركت پلانترفلكشن و يك عضله‌ي تبياليس آنتريور براي حركت دورسي فلكشن درگير هستند، براي بررسي دقيق‌تر اثر اگزواسكتون نيازمند در نظر گرفتن هرسه اين عضلات در مدل اسكلتي عضلاني مي‌باشيم. بنابراين در ادامه با در نظر گرفتن مدل دو درجه آزادي شامل مچ پا و زانو و با در نظر گرفتن سه عضله‌ي اصلي دخيل در حركت مچ، با استفاده از داده‌هاي آزمايشگاهي سينماتيك مفاصل و الكتروميوگرافي عضلات در حين راه رفتن، گشتاور مورد نياز براي راه رفتن در مچ را محاسبه مي‌نماييم. در نهايت با اضافه كردن اگزواسكلتون به مدل، اثر اگزواسكلتون را در كاهش انرژي و گشتاور عضلات مطالعه كرده و تغيير در پارامترهاي اگزواسكلتون را در بهبود كمك به راه رفتن بررسي مي نماييم. نتايج اين بررسي نشان مي‌دهند، كه استفاده از اگزواسكلتون كمكي مچ پا مي‌تواند ميزان گشتاور و توان مكانيكي عضلات در مفصل مچ را به ترتيب 13.3%-44% و 11.3%-%26.3 كاهش دهد.

226673

طراحي و جامدات

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان