طراحي بهينه‌ي يك اورتز زانو مجهز به عملگرهاي الاستيك سري

Optimum design of a knee orthosis powered by series elastic actuators

تعريف مسيله: بررسي‏هاي آماري نشان مي‏دهند كه بيماري ها، تصادفات، سوانح و جنگ ها از عوامل پايه‏اي در افزايش معلولان در جهان هستند كه از ميان آنها، بخش عمده‏اي از معلوليت هاي نقص عضو در اندام هاي حركتي و به خصوص در عضوهاي زير زانو مشاهده مي‏شود. چاقي مفرط، كم تحركي، انجام ندادن حركات ورزشي مناسب و همچنين ابتلا به برخي بيماري ها، از عواملي هستند كه موجب ضعف زانو و چنين عوارضي مي شود و عدم تحمل گشتاورهاي بالا در مفصل زانو از عواقب آن است. در اين تحقيق، علاوه بر بررسي رفتار ديناميكي اجزاي يك پاي سالم در طول حركت در گيت قدم زدن، توان مكانيكي لازم براي توانمندسازي زانوي ضعيفي تعيين مي شود كه عضلات آن مي توانند تنها تا 50 درصد از حد اكثر گشتاور لازم براي قدم زدن، مانند يك پاي سالم، را اعمال كنند. راه حل: براي توانبخشي زانوي اشاره شده، يك اورتز زانو از نوع كنترل فعال طراحي شده است. در طرح پيشنهادي، اورتز از تركيب يك عملگر الكترومكانيكي و يك عامل الاستيك تشكيل شده است كه در يك سازه سبك چهار ميله اي مفصل بندي شده به همديگر متصل شده اند. نتايج: با بررسي طرح هاي مختلفي كه تنها ضريب كشساني عامل الاستيك در آنها متفاوت است، بهترين طرح انتخاب و مدول كشساني فنر آن با توجه به قيدهاي هندسي و مكانيكي طرح، 7 كيلو نيوتون بر متر تعيين شد. در اين شرايط، بيشينه گشتاور قابل اعمال توسط زانو تا 34 درصد افزايش يافته است.

Abstract: The statistical studies indicate that diseases, accidents and wares are the principal causes to increase the number of amputees in the world. These studies also show that the most of mutilation disabilities are related to musculoskeletal. Obesity, sedentary, lack of proper exercise as well as the risk of some diseases, cause weaken in knee muscles and other difficulties of this hand. As a consequence, the knee muscles can`t apply a mighty torque to accomplish knee motion.The objective of this study is to propose a proper solution to improve the life quality of those who suffer from weak knees. In this study, by investigating the biomechanical behavior of a healthy foot in a normal gait, the indispensable power which can enforce a 50% weak Knee to achieve the same gait can be calculated. In order to naturalize the mentioned knee, a new control-active orthosis is designed. The proposed design is specified by an electromechanical actuator and an elastic component articulated in a light weight four-bar mechanism. Its mechanical behavior is tested in a simulated walking gait and the optimum value of elastic coefficient is estimated as 7KN/m. In this case, the maximum torque applicable to knee joint has increased by 34 per cent.