بخشی از مقاله
چکیده
در سال هاي اخیر بیم اريهاي مرتبط با مفصل زانو افزایش چ شمگیري یافته است. از آنجایکه بیشترین وزن بدن بر روي زانو انتقال مییابد و با توجه به ضعف عضلانی در سنین بالا، مفصل زانو بیش از هر مفصل دیگري در معرض آسیب می با شد. بنابراین با توجه به ضعف و ناتوانی در حرکت زانو، استفاده از ابزارهاي کمکی از اهمیت ویژه اي برخوردار است، ابزارهاي کمکی با ایجاد یک پوشش میتوانند قدرت و مقاومت عضلات را افزایش داده تا افراد راحتتر کارهاي روزمره خود را انجام دهند.
بدین منظور در این مقاله براي کمک به افراد آسیب دیده طرح ربات پ وشیدنی غیرفعال ارایه شده است که طرح پیشنهادي بر اساس آناتومی و حرکت زان و بوده که بطور همزمان حرکات دوران و انتقال را تولید میکند. ربات پوش یدنی ارایه شده بر اساس مکانیزم شش میلهاي میباشد بطوریکه با وجود این مکانیزم بر روي پا حرکتی مشابه حرکت پاي طبیعی ایجاد می شود. در این مقاله پس از انتخاب مکانیزم به تحلیل موقعیتهاي مختلف مکانیزم اشاره میشود و در ادامه تحلیل سرعت و شتاب انجام میشود.
سپس به منظور پوشیدنی بودن ربات و بمنظور کاهش خطاي بین پاي با مکانیزم و بدون مکانیزم یک مساله بهینهسازي مطرح م یشود و پس از آن با استفاده از روش بهینه سازي ابعاد نهایی مکانیزم ارایه خواهد شد. جهت کمک به زانوهاي آسیب دیده مکانیزمی طراحی شد که با توجه به بهینهساز ي که در ابعاد انجام شد آن را میتوان بصورت پوشیدنی استفاده کرد علا وه براینکه داراي ابعاد کوچک است بصورت موازي و منطبق بر حرکت پاي انسان میباشد. همچنین این مکانیزم امکان افزودن المانهاي انعطاف پذیر بیشتري به ر بات پوشیدنی غیرفعال فراهم میکند.
-1 مقد مه
زانو بزرگترین و پیچیدهترین مفصل در بدن میباشد. این مفصل بیش از هر مفصل دیگري در معرض آسیب دیدن میباشد، هر آسیبی یا هر ضعفی در این مفصل تاثیر گذاشته و در حین راه رفتن فرد را دچار درد و مشکل میکند بطوریکه زانو قادر به ایجاد حرکت طبیعی در حین راه رفتن نمی باشد. بدین منظور پژوهشگران براي کمک به این معضل به طراحی و ساخت ابزارهاي کمکی مختلفی پرداختند.
با توجه به پیشرفتهاي اخیر در زمینه فنآوريهاي ربات پشتیبان، علاقه در حوزه پوششهاي فعال و اسکلت خارجی به سرعت افزایش یافته است .[1] اسکلتهاي خارجی حکم پشتیبان و کمک کننده را دارند و همانند اسکلت بدن عمل می کنند. اسکلت خارجی اندام تحتانی به دس تگاههاي توانبخشی، کمکی و توانمندسازي تقسیم میشوند که گروهی فعال و گروهی غیرفعال میباشند.
هدف از رباتهاي کمکی تولید اسکلتی ا ست که از لحاظ مکانیکی و کنترلی در حرکاتی مانند راه رفتن، بالا و پایین رفتن از پلهها، نشستن و ایستادن انعطافپذیر باشد که افراد مسن و ضعیف به راحتی بتوانند استفاده کنند و هدف از ساخت و ط راحی اسکلت خارجی توانبخشی تسهیل در بازسازي نقش قبلی بیمار و بازسازي عملکرد پس از آسیبهاي عصبی است.
یکی از حوزههاي پژوهشی در این زمینه استفاده از مکانیزمها در کنار پا براي افزایش قابلیتهاي حرکتی پا میباش د. در این زمینه انواع مکانیزمهاي دو میلهاي، سه میلها ي و غیره کار شده است. هر چه تعداد میله ها بیشتر باشد عملکرد مکانیزم بهتر خواهد بود. در بعضی موارد دامنه حرکتی و پایداري مکانیزم نیز بیشتر شده است.
مکانیزم هاي شش میلهاي نسبت به مکانیزمهاي پنج میلهاي و چهار میلهاي عملکرد بهتر و قابلیت بیشتري دارد.
در ربا تهاي پوشیدنی از انواع مکانیزمهاي چهار میلهاي ا ستفاده شده که میتوان ب ه لامبدا [9] که براي حالتهاي نشسته و خوابیده استفاده میشود را نام برد. براي راه رفتن و ایستادن میتوان به لوکوهلپ [10]، کمک براي راه رفتن [11] اشاره کرد. هیچکدام نسبت به دیگ ري برتري ندارند بلکه در حالت و نحوه استفاده با هم فر ق میکنند. از انواع مکانیزم پنج میلهاي میتوان به مکانیزمی که در راه رفتن مورد استفاده قرار میگیرد اشاره کرد، این مکانیزم داراي دو حالت است که در یک حالت یک درجه آزاد ي و در دیگر ي دو درجه آزادي دارد.در این مکانیزم حرکات غلتش و دوران مورد نیاز زانو تولید میشود
بعد از مقدمه و پژوهشهایی که در این بخ ش ارائه شد در بخش بعدي به بررسی آناتومی زانو و سیکل راه رفتن و در ادامه به ط راحی مکانیز پرداخته میشود و پس از آن با بهینهسازي، ابعادي مناسب بمنظور پوشیدنی بودن مکانیزم انتخاب میشود در ادامه نتایج بدست آمده مورد بحث قرار خواهند گرفت و در انتها نتیجهگیري ارائه خواهد شد.
آناتومی زانو و سیکل راه رفتن
قبل از اینکه در مور د طراحی و انتخاب مکانیزم صحبت شود شناخت زانو و نحوي حرکت زانو از اهمی ت ویژهاي برخوردار است. مجم وعه زانو از د و مفصل مجزا تشکیل شد ه که در داخل یک کپسول مفصلی منفرد جاي گرفتهاند. خم و صاف شدن مجموعه زانو باعث کوتاه و طویل شدن اندام میشود. زانو علاوه بر فراهم ساختن حرکت، نقش مهمی در حمایت وزن بدن حین فعالیتهاي دینامیک و استاتیک ایفا میکند. زانو نه تنها یکی از بزرگترین مفاصل بد ن به شمار میآید بلکه از پیچ یدهترین آنها است. حرکت در زانو داراي دو درجه آزاد ي بصورت فلکشن و اکستنشن در صفحه سهمی و چرخش به داخل و خارج در صفحه عرضی میباشد. در نتیجه میتوان گفت در حین راه رفتن در زانو همز مان حرکات انتقال و دوران رخ میدهد
زانو عملکرد بیومکانیکی مهمی در زمان راه رفتن دارد. د ر فاز گام برد اري، زانو خم میشود تا ط ول اندام تحتانی کوتاه شود در غیراینصورت پا به سختی از زمین جدا میشود. در فاز ایستادن، زانو کمی خم باق ی میماند تا اجازه جذب ضربه، حفظ انرژي و انتقال نیرو را به اندام تحتانی بدهد. س یکل راه رفتن براي تشریح کردن و آنالیز رویدادها به دو بخش تماس پاشنه پا با زمین و جدا شدن پا، تقسیم میشود. این رویدادها با نامهاي فاز ایستاد ن و فاز گام بر داري معرفی میشود. در فاز ایستادن همیشه قسمتی از پا با زمین در تماس است و %60 سیکل را تشکیل می دهد. و در فاز گام برداري پا هیچ تماس ی با زمین ندارد و %40 سی کل را تشکیل میدهد
انتخاب مکانیزم
پس از بررسی آناتومی زانو و تح لیلهاي مختلف، بر اساس کارکرد زانو مکانیزمهاي متفاوتی چون دو میلهاي، چهار میلهاي، پنج میلهاي ارایه ش د اما با توجه به اینکه هر چه بر تعداد میلهها افزوده م یشود عملکرد و قابلیت حرکت مکانیزم افزایش مییابد، و با توجه به اینکه هدف نهایی مکانیزم فوق افزودن المانهاي انعطافپذیر میباشد - در این مقاله تنها تحلیل سینماتیکی آن مورد بررس ی قرار خواهد گرفت - مکانیزم شش میلهاي فوق قابلیت بیشتري براي افزودن فنر م هیا میکند.
پس از بررسیهاي انجام شده بر روي زانو و آنچه در بخش قبل ارایه شد در حین راه رفتن در زانو همزمان با حرکت دوران، مقدار کمی انتقال رخ میدهد. بنابراین مکانیزمی باید انتخا ب شود که همزمان دوران و انتقال را تولید کند. همانطور که در شکل 1 آمده بر ر وي پا دو مکانیزم نصب شده و مکانیزمی مورد قبول است که همزمان حرکات دوران و انتقال را تولید کند. وقتی مکانیزم شکل .1الف بر روي پا نصب میشود تنها حرکت دوران را تولید میکند از آنجاییکه حرکت انتقال ایجاد نمیشود به زانو آسیب میرساند بنابراین مکانیزم مناسبی براي زانو نمیباشد در حالیکه مکانیزم شکل .1ب هر دو حرکت را ایجاد می کند بنابراین ربات پوشیدنی بر اساس مکانیزم شش میله اي انتخاب میشود.
