مدل‌سازي ديناميكي حركت پادر تعامل با يك عملگر نيوماتيك وشناسايي پارامترهاي آن جهت توان‌بخشي

Dynamic modeling of the human lower limb interacting with a pneumatic actuator and its parameters identification for rehabilitation

تعيين رفتار ديناميكي و خواص امپدانسي پا براي تعامل بيماران با دستگاه هاي توان‌بخشي امري ضروري است. در مدل‌هاي ساده پيشنهادي در پژوهش‌هاي پيشين، اثرات زواياي مفاصل پا بر خواص امپدانسي آن لحاظنشده و شناسايي پارامترها با روش‌هاي غيرپارامتري صورت گرفته است كه نتايج آن‌ها براي تحليل هاي توان‌بخشي چندان مناسب نيستند. بنابرايندر اين مقاله، مدل 3 درجه آزادي غيرخطي مبتني بر مكانيزم حركتي پا با درنظرگرفتن سفتي ها و ميرايي هاي زاويه اي در مفاصل و ممان اينرسي اعضاي ران، ساق و كفمعرفي مي‌شود و براي شناسايي پارامترها با روش خطاي پيش‌بين، مدل خطياز آن ارايه مي‌شود. دقت خطي‌سازي و شناسايي جداگانه مورد بررسي قرار مي گيرند. براي سه نمونه با اعداد توده جرمي متفاوت، مقادير پارامترهاي بخش‌هاي پا براي چهار چيدمان مختلف كه در آن پا به هنگام راه رفتن با زمين اعمال نيرو مي كند، شناسايي مي‌گردند. صحت نتايج از مقايسه مقادير ممان اينرسي شناسايي شده و ممان اينرسي تخمين زده شده با مدل‌سازي هندسي، مورد ارزيابي قرار مي گيرد. درنهايت، نحوه تعامل دستگاه توان‌بخشي با بيماران در چيدمان هاي چهارگانه با ملاحظه اثر صليبت پا و اضافه وزن افراد بررسي مي‌شود. نتايج حاصل، حاكي از دقت بالا و كارآيي مناسب مدل خطي شده در شناسايي مي‌باشد.

Specifying of the dynamic behavior and impedance characteristics determination of thepatients’ lower limb is a necessity for interactions with rehabilitation set-up. In simple proposed models of previous researches, the effects of joint angles on the impedance properties of the leg were not considered and the parameters were identified by nonparametric methods. Hence, the results of identificationwere notso much appropriate to analyze the rehabilitation process. So, in this paper, a 3 DOF nonlinear dynamic model is developed regarding to the angular stiffness and damping of the lower limb joints and moment of inertia of its moving organs. Then, a linear model is presented toidentify the parameters by PEM method. The linearization and identificationprecisionsare evaluated individually. The leg’s parameters are identified for 3 subjects with different mass numbers at four distinctive configurations which are considered during the walking.The identification accuracy is evaluated by comparison between theidentifiedand geometrically estimated mass moment of inertia.Ultimately,the interaction performance of the patients’ leg with rehabilitation pneumatic actuator is investigated considering to leg rigidity and the amount of overweight. The results demonstrate good accuracy and high performance of the linear model for parameters identification.