طراحي و تحليل ديناميكي برونپوش بازو با استفاده از تاندون كابلي براي حركت مفصل شانه

Design and Dynamic Analysis of an Arm Exoskeleton with Cable Tendon for Shoulder Joint Motion

در اين تحقيق، يك برون‌پوش بالاتنه به ‌منظور انجام تمرين‌هاي توان‌بخشي و كمك به افراد داراي مشكل حركتي در انجام كارهاي روزانه طراحي شده‌ است. اين برون‌پوش قادر به دوران دو درجه‌ي آزادي مفصل شانه به صورت فعال و يك درجه‌ي آزادي به صورت غيرفعال است. در سيستم طراحي شده از ايده‌ي‌ مكانيزم انتقال كابلي و پولي راهنما با قابليت تغيير راستاي اعمال نيرو بهره برده شده‌ است. در اين طرح، بر پايه‌ي سيستمي با ساختاري ساده تنها از يك كابل براي حركت رفت و برگشتي هر محور استفاده شده است. مكانيزم ميله‌اي طراحي شده در اين طرح با دوران دو درجه‌ي آزادي مفصل شانه، قابليت حمل آن را بدون نياز به پايه‌اي ثابت فراهم آورده است. سيستم محركه‌ي هر محور مستقل از محور ديگر عمل مي كند، و بدين ترتيب، مي‌توان تنها مكانيزم مربوط به يك محور را روي بازو نصب و از آن استفاده نمود. اين برون‌پوش حركت كتف را در راستاي عمودي محدود نمي سازد و در ضمن، ارزان، سبك، و قابل حمل بوده و به آساني پوشيده مي‌شود. در اين مقاله، پس از معرفي سيستم برون‌پوش، روابط مربوط به گشتاور موتورها براي انجام گستره‌ي مشخصي از وظايف بدست آورده مي شود. در ادامه، معادلات سينماتيكي و ديناميكي حاكم بر سيستم برون پوش استخراج گرديده و با شبيه‌سازي سيستم در نرم‌افزارهاي كتيا و متلب و ارايه‌ي نتايج، عمل‌كرد آن مورد ارزيابي قرار مي گيرد. نتايج حاصل مشخص مي كند كه برون‌‌پوش طراحي شده به خوبي قادر به انجام تمرين‌هاي توان‌بخشي براي مفصل شانه مي‌باشد.

In this study, a portable upperlimb exoskeleton is designed for the purpose of rehabilitation and helping the disabled people to do their daily activities. This exoskeleton has two active and one passive degrees of freedom for the shoulder joint. In this system, the idea of cable transmossiom mechanism and guidance pulley with the ability to change the force direction is used. The two active DOFs of the shoulder joint is achived only by pulling one cable for each axis based on the novel design of this mechanism. Each axis of the shoulder is driven independently which implies that a single axis can be installed on the arm. This exoskeleton does not impose any limitation on the vertical motion of the scapula. In addition, it is inexpensive, lightweight and can easily be used. In this paper, after introducing the exoskeleton system, the required motor torques for generating a prescribed task are obtained. In the next step, the kinematic and dynamic equations of this system are derived. By simulating the exoskeleton in CATIA and MATLAB softwares, and presenting the results, the performance of the exoskeleton is evaluated. The results show that this novel exoskeleton system posses an excellent capacity to perform the rehabilitation excersises for shoulder joint.