طراحي مكاترونيكي و پياده‌سازي كنترلي دوچرخه‌ي هوشمند ثابت تمريني

Mechatronical Design and Control Implementation of a Fixed Smart Exercise Bike

امروزه يكي از وسيله هاي موثر براي بازگرداني قواي حركتي و ماهيچه اي بيماران استفاده از تمرينات دوچرخه ثابت و عمل پدال زني است. در اين پژوهش با طراحي، پياده سازي كنترلي و ساخت يك دوچرخه تمريني هوشمند، انجام دو روش تمريني-درماني در حوزه توانبخشي اندام-هاي پايين تنه امكان پذير شده است. بيمار با توجه به ميزان آسيب ديدگي در يكي از دو گروه تمريني غيرفعال و يا كمك فعال جاي مي گيرد. در برنامه تمريني غيرفعال بيمار قواي لازم براي پدال زدن روي دوچرخه را به خوبي دارا نمي باشد، بنابراين موتور به كمك وي مي آيد و تمام بار رسيدن به يك سرعت پدال زني مشخص را برعهده مي گيرد. پاي بيمار در اين برنامه با سرعت ثابتي كه بالاتر از توانايي وي در پدال زدن آن سرعت است، به صورت اجباري مي چرخد. در برنامه تمريني كمك فعال كه بيمار توانايي بالاتري از حالت اول درماني پيدا كرده است، هدف همان پدال زني بيمار در يك سرعت مشخص است با اين تفاوت كه وي توانايي نيرو وارد كردن را نيز دارد. ميزان كمك رساني موتور در اين روش را مقدار نيروي اعمالي بيمار مشخص مي كند. در اين پژوهش تيوري كنترلي براي اين دو روش درماني و اين دوچرخه، طراحي و ارايه مي گردد. كنترل سرعت نيز با استفاده از بازخوردهاي نيرويي و سرعتي صورت مي گيرد. نتايج تجربي و تيوري نشان دادند پياده سازي و تجهيز دوچرخه ثابت با روش گفته شده، پژوهش را به اهداف كنترل سرعتي براي استفاده توانبخشي رسانده است. در نهايت نتايج تجربي دقت متوسط 98.71% براي روش غيرفعال در نمونه تست گزارش شده در اين پژوهش و 98.24% براي شش تست پس از رسيدن سرعت به حالت ماندگار را نشان مي دهند. همچنين اين نتايج براي حالت كمك فعال 96.33% براي تست گزارش شده و 95.59% براي چهار تست در رسيدن به سرعت مطلوب پدال زني مي باشد.

Nowadays, one of the most effective tools for restoring patients' mobility and muscles strength is the use of stationary cycling exercises and pedaling. In this study, two methods for the treatment of lower limbs are made possible by the design, control implementation, and construction of an intelligent exercise bike. According to the damage level, the patient will fall into the active-assisted training or passive training group. In a passive training program, patients do not have enough ability to pedal on the bike, so the motor will provide the power to reach a predefined pedaling speed. In this program, feet of patients will pedal at a constant speed above the speed patient is able to achieve compulsorily. In an active-assisted training program, the patient is already improved enough to have a higher ability to pedal at the same constant speed and the motor will provide less power according to the pedaling power of the patient. Hence, the provided power by the motor is set based on the provided force by the patient. In this study, it is aimed to design the control theory for these two treatment methods and this bike. Furthermore, speed control was done by force and speed feedback. Experimental and theoretical results showed that the implementation and equipping of stationary bike with the mentioned method has led the research to the goals of speed control for rehabilitation use. Eventually, the experimental results show an average accuracy of 98.71% for the passive method in the test sample reported in this study and 98.24% for the six tests after reaching a steady state speed. Also, these results are 96.33% for the active-assisted mode and for the test reported in this study; and 95.59% for four tests to reach the desired pedaling speed.