بخشی از مقاله
چکیده
ساده ترین روش برای مدل کردن رفتار مواد استفاده از مدل های ویسکوالاستیک خطی می باشد. این مدل ها غیر وابسته و مستقل نسبت به زمان می باشند. استفاده از مدل های ویسکوالاستیک با توجه به وابستگی آنها به زمان روشی مناسب برای مدل کردن بافت های بیولوژیک محسوب می شوند. برای محاسبه خواص این مواد 2 روش تست خزش و ریلکسیشن پیشنهاد شده است.
انجام تست خزش با ایجاد نیروی ثابت بر روی بافت قابل انجام است. با توجه به اینکه یکی از ویژگی های عملگرهای الاستیک خطی، ایجاد نیروی خروجی ثابت می باشد، در این مقاله طراحی یک عملگر الاستیک خطی برای دستگاه پالپیشن ساخته شده در گذشته ارائه شده است. در مقاله پیش رو ابتدا ویژگی های عمومی مربوط به SEA مطرح شده است. سپس معادلات دینامیکی آن استخراج شده است.
در ادامه مدلی برای SEA که قابلیت پیاده سازی بر روی دستگاه معاینات لمسی داشته باشد، ارائه شده است. پارامترهای مربوط به این دستگاه با توجه به نیاز مورد استفاده استخراج شده اند و با استفاده از الگوریتم ارائه شده کنترل عملگر الاستیک خطی، کنترل نیرو بر روی دستگاه صورت گرفته است. در نهایت با شبیه سازی معادلات ریاضی و اعمال روش پیشخور و کنترلر PID در سیمولینک متلب، شبیه سازی معادلات با اعمال ورودی پالس و سینوسی ارائه شده است.
مقدمه
برای انجام تست های پزشکی بر روی بدن بیمار بدست آوردن ویژگیهای مکانیکی بدن انسان یکی از قسمتهای مهم به شمار میرود. برای مدلسازی مواد ساده ترین راه رجوع به مدلهای الاستیکی ارائه شده میباشد. اما نتایج نشان می دهند که مدلهای الاستیک ارائه شده، تخمینی بسیار ضعیف و نادقیق از پاسخ واقعی بافت را ارائه میدهند که اصلی ترین دلیل آن میتواند وابستگی پاسخ بافت بدن به زمان باشد .
- Wang et al , 2013 - معاینات لمسی - پالپیشن - یکی از تکنیک های معاینه فیزیکی است که در آن اعضا و اندامهای بدن به وسیلهی انگشتان لمس میشوند تا اندازه، شکل، قوام و مکان آنها تعیین شود. پالپیشن میتواند به صورت یک تکنیک دستی تعریف شود که معمولا برای تعیین موقعیت و سختی استخوان ها و... به کار میرود.
در شاخه های مختلف مهندسی بیومکانیک و کاربردهای پزشکی رباتیکی سنسورهای مختلف از جمله سنسورهای لمسی برای حس کردن گستره وسیعی از حواس مورد استفاده قرار میگیرند. لمس مجازی یکی از مهمترین کاربرد این سنسورها میباشد. اثر نیرو و موقعیت دو فاکتور مهم برای استخراج دقیق ویژگی های مکانیکی یک بافت بیولوژیکی می باشند.
نمونه اولیه و ساده برای طراحی و ساخت ابزاری که به کمک آن و با بهرهگیری از نحوهی انجام معاینه به وسیله پزشک، بتوان معاینات لمسی را به شیوه ای دقیق و بدون نیاز به حضور پزشک انجام داد، ساخته شده است . - Davariaet al, 2014 - با استفاده از دستگاه طراحی شده پیاده سازی روش ادمیتانس، که به معنی کنترل موقعیت دستگاه می باشد، به خوبی قابل اجرا است. اما استفاده از روش کنترل نیرو با استفاده از دستگاه مذکور قابل انجام نیست.
معروف ترین عملگر که با استفاده از یک المان الاستیک کار می کند، عملگر الاستیک خطی - SEA1 - می باشد - Pratt & . - Williamson, 1995 در واقع در این عملگر سفتی آن ثابت می با شد و بر اساس ضریب کشسانی فنر تعیین می شود. در این عملگر، یک فنر کشسان به صورت سری به عملگر می شود و با هدف تولید نیروی مطلوب بر روی جسم مورد نظر، مقدار جابجایی فنر مشخص می شود .
- Sugar, 2002 - بنابراین تولید نیروی مطلوب، به یک مساله کنترل مکان با استفاده از موتور تبدیل خواهد شد. در واقع با قرار دادن فنر در حالت کشش یا فشار در مقدار مشخص، نیروی کششی یا فشاری مورد نظر ایجاد می شود. از SEA در کاربردهای مختلفی استفاده شده است. در عملگر - Zinnet al, 2004 - DECMMA برای ربات های در تعامل با انسان، با هدف افزایش ایمنی و کنترل بهتر دستگاه در فرکانس های بالا، SEA به صورت موازی با یک موتور کوچک استفاده شده است.
همچنین در پژوهش انجام شده توسط پارک - Parket al , 2008 - ، با هدف افزایش ایمنی بازوی رباتیک در زمان اتفاق افتادن بارهای ضربه ای، از SEA استفاده شده است. در عملگر - Stramigioli et al, 2008 - V2E2 با ترکیب سیستم انتقال متغیر نامحدود - IVT2 - و اامان الاستیک، بهبود عملکرد نیرویی سیستم تقویت شده است. در این سیستم، از المان الاستیک با هدف ذخیره سازی نیرو برای تولید مسیر حرکت مطلوب استفاده شده است. با توجه به اینکه یک المان سفت غیر خطی یک مزیت برای کارهایی از قبیل پریدن محصوب می شود، HypoSEA با هدف کشیدن یک فنر خطی به صورت یک روش غیرخطی توسعه داده شد . - Thorson &
SEA علاوه بر داشتن ایمنی بالا برای انجام معاینات مربوط به پزشکی، دارای دقت مناسبی در ایجاد نیروی مطلوب دارند. از طرفی با استفاده از این عملگر، امکان انجام تست های خزش با توجه به امکان کنترل نیرویی مجموعه بر روی بدن بیمار وجود دارد. همچنین با وجود تنفس بیمار باز هم با استفاده از این دستگاه امکان ایجاد نیروی ثابت بر روی بدن وجود خواهد داشت. بنابراین در این مقاله سعی شده است - SEA - مناسب برای انجام معاینات پزشکی به صورت تست خزش طراحی شود. همچنین پیاده سازی الگوریتم کنترلی بر روی دستگاه طراحی شده و نتایج آن در این مقاله گزارش شده است.
روش تحقیق
مواد ویسکوالاستیک
در بررسی هایی که در رابطه با مدلسازی مکانیکی بافت بدن انسان انجام می شود، راحت ترین روش استفاده از مدلهای الاستیک و تئوری های مربوط به آن برای این بافت ها میباشد. اما همانطور که قبلا نیز اشاره شد این مدلها به هیچ وجه قادر به توضیح رفتار واقعی بافت بیولوژیک نسبت به نیروهای خارجی نمیباشند. دلیل عمدهی آن، عدم وابستگی مدلهای الاستیک به زمان میباشد. در حالی که رفتار بافتهای بدن نسبت به نیروهای خارجی کاملا وابسته به زمان میباشد. بنابراین نیاز به استفاده از مدل های الاستیک وابسته به زمان - مدل های ویسکوالاستیک - لازم می باشد .
- Mendizabal-Dones, 2015 - بارزترین ویژگی مواد ویسکوالاستیک خاصیت خزش3 و آزادسازی نیرو4 میباشد. در این مقاله، هدف ساخت دستگاهی می باشد که با ایجاد نیروی ثابت بر روی بافت، شرایط لازم برای انجام تست های خزش را فراهم کند. بنابراین انجام اصلاحات در طراحی دستگاه پالپیشن ساخته شده توسط داوریا - Davaria et al., 2014 - هدف این مقاله می باشد. با توجه به اینکه استفاده از SEA سبب ایجاد نیروی ثابت در خروجی می شود، تغییر در طراحی دستگاه و شبیه سازی های مربوطه در ادامه ارائه شده است.
عملگر الاستیک خطی
در هنگام تعامل عملگر5 با بدن انسان، ایمنی در دستگاه یکی از مهمترین فاکتورها می باشد. به عبارت دیگر، دستگاه باید دارای ایمپدانس6 پایین در تمامی فرکانس ها باشد. با توجه به پایین بودن ایمپدانس در SEA - شکل - - 1 - ، این شرایط به خوبی ارضا خواهد شد . - Sensinger, 2006 - سنسورهای نیرویی معمولی به گونه ای طراحی شده اند که بیشترین سفتی7 ممکن را داشته باشند . استفاده از یک سنسور سفت در حالت سری با عملگر سفت، به معنای بالا بودن بهره حلقه باز عملگر است. بنابراین برای کنترل پایداری، بهره حلقه کنترلی باید پایین باشد.
از طرفی بهره کنترلی پایین، ایمپدانس بالا و سنسورهای سفت، موجب پاسخ نا مناسب سیستم در مقابل بارهای ضربه ای و شوک یا عوامل دیگر مانند اصطکاک، عوامل غیر خطی مانند لقی در چرخدنده ها یا عواملی از این قبیل می شود . برای غلبه بر مشکل پیش آمده استفاده از SEA بهترین راه حل می باشد. در شکل - 2 - مکانیزم مکانیکی عملکرد SEA نشان داده است.
