ایجاد یک مدل یکپارچه برای راه رفتن فرد فلج به کمک ربات اسکلت‌خارجی در محیط Simulink

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه مهندسی مکاترونیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 گروه مهندسی مکاترونیک - دانشگاه تبریز - تبریز - ایران

چکیده

اسکلت­های خارجی پایین­تنه نوعی ربات­های پوشیدنی با ساختار شبه­انسانی هستند که برای توانبخشی یا توان­افزایی پاها استفاده می­شوند. این ابزار می­تواند به افراد کم­توان حرکتی و یا فلج کامل این امکان را بدهد که بتوانند دوباره راه بروند. در این مقاله یک مدل­یکپارچه از یک ربات اسکلت­خارجی پایین­تنه همراه با شخص فلجی که کاربر آن است در محیط شبیه­سازی دینامیکی SimMechanics از زیرمجموعه­های محیط  MATLAB Simulinkطراحی می­کنیم، و سپس آن را تحت کنترل خطی به­حرکت درمی­آوریم. هدف اصلی از این کار ایجاد و راندن یک مدل معتبر مرکب از ربات و کاربر است تا مشخصه­های راه­رفتن طبیعی و متعادل شخص کاربر  به­کمک اسکلت­خارجی را ارزیابی کنیم. در طراحی این ربات در هر پا دو درجه آزادی فعال در مفاصل ران و زانو و یک مفصل غیرفعال در مچ­پا منظور شده است. به­علاوه یک پشتی متحرک برای حرکت­دادن تنه به چپ و راست و هدایت مرکز جرم در صفحه­ی عرضی درنظر گرفته شده است. با تعبیه­ی چهار نیروسنج در چهارگوشه­ی هر پا  نقطه­ی گشتاور صفر حین راه­رفتن محاسبه شده و از آن برای پایش تعادل استفاده می­شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

  • Tan K, Koyama S, Sakurai H, Teranishi T, Kanada Y. Tanabe S. Wearable robotic exoskeleton for gait reconstruction in patients with spinal cord injury: A literature review. Journal of orthopaedic translation 28, 2021: 55-64.
  • Manns PJ, Hurd C. Yang JF. Perspectives of people with spinal cord injury learning to walk using a powered exoskeleton. Journal of neuroengineering and rehabilitation 16, 2019: 1-10.
  • Masengo G., Zhang X., Dong R., Alhassan AB., Hamza K. Mudaheranwa, E. Lower limb exoskeleton robot and its cooperative control: A review, trends, and challenges for future research. Frontiers in Neurorobotics 16, 2023: 913748.
  • Kazerooni H. Steger R. The Berkeley lower extremity exoskeleton. 2006: 14-25.
  • Zoss AB, Kazerooni H. Chu A. Biomechanical design of the Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX) IEEE/ASME Transactions on mechatronics2 2006: 128-138.
  • Yang M, Wang X, Zhu Z, Xi R. Wu Q. Development and control of a robotic lower limb exoskeleton for paraplegic patients. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science3, 2019: 1087-1098.
  • Hasan SK. Dhingra AK. Biomechanical design and control of an eight DOF human lower extremity rehabilitation exoskeleton robot. Results in Control and Optimization7 2022: 100107.
  • Goo A., Laubscher CA, Farris RJ. Sawicki JT. Design and evaluation of a pediatric lower-limb exoskeleton joint actuator. Actuators. Vol. 9. No. 4. MDPI, 2020.
  • Esmaeili B, Beyramzad J, Seyyedrasuli M, Noorani MRS, Ghanbari A. Using fuzzy neural network sliding mode control for human-exoskeleton interaction forces minimization. 2018 IEEE international conference on mechatronics and automation (ICMA). IEEE, 2018.
  • Kharratian S, Sayyed Nooran M-R., Dadashzadeh B. Minimizing Human-Exoskeleton Interaction Force through PILCO: A Probabilistic Learning Control Approach. 2023 11th international conference on robotics and mechatronics (ICROM). IEEE, 2023.
  • Yan Y., Chen Z, Huang C, Chen L. Guo Q. Human-exoskeleton coupling dynamics in the swing of lower limb. Applied Mathematical Modelling 104, 2022: 439-454.
  • سیدنورانی، سیدمحمدرضا، بیرامزاد، جلیل. استفاده از کنترل مود لغزشی تطبیقی در راندن یک اگزواسکلتون افزاینده‌ی قدرت بر مبنای کمینه‌سازی نیروهای تعاملی بین انسان و ربات. مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، 52(1)، 1401، 187-196،  doi: 10.22034/jmeut.2021.45896.2894.
  • اوچیدا، توماس، و دلپ، اسکات. بیومکانیک حرکت: علم ورزش، رباتیک و توانبخشی، ترجمـه سیدمحمدرضا سیدنورانی، انتشارات دانشگاه تبریز، تبریز، چاپ دوم، 1403.
  • حسن زاده خانمیری، شقایق و سیدنورانی، سید محمدرضا. استفاده از رابط برنامه نویسی اُپن سیم و متلب در انجام شبیه سازی های اسکلتی - عضلانی به منظور کنترل یک ربات اسکلت خارجی کمک حرکتی در خم و بازکردن آرنج. نشریه‌ی علمی مهندسی پزشکی زیستی،1403 18(3)، 233-244، . doi: 10.22041/ijbme.2025.2048707.1942
  • سیدنورانی، سید محمدرضا، پورافشار، مهری و عابدپور، ندا. تخمین نیروی عضلات خم‌کننده و بازکننده‌ی زانو بر اساس سیگنال الکترومایوگرافی و شبیه‌سازی دینامیک مستقیم به کمک نرم‌افزار اپن‌سیم. نشریه‌ی علمی مهندسی پزشکی زیستی، 1403 17(3)، 263-271،  . doi: 10.22041/ijbme.2024.2026313.1896
  • Jatsun S, Yatsun A, Fedorov A. Saveleva, E. Simulation of static walking in an exoskeleton. Electromechanics and Robotics: Proceedings of 16th International Conference on Electromechanics and Robotics. Zavalishin's Readings, St. Petersburg, Russia, 14–17 April 2021. Springer Singapore, 2022.
  • Ganesan V. Gu EY. Design of Exoskeleton for Paraplegics Walking–Humanoid Robotics Approach. 2019 7th International Conference on Control, Mechatronics and Automation (ICCMA). IEEE, 2019.
  • Li Z, Zhao K, Zhang L, Wu X, Zhang T, Li Q, Li, X Su, CY. Human-in-the-loop control of a wearable lower limb exoskeleton for stable dynamic walking. IEEE/ASME transactions on mechatronics5, 2020: 2700-2711.
  • Zhou X. Predictive human-in-the-loop simulations for assistive exoskeletons. International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. Vol. 83983. American Society of Mechanical Engineers, 2020.
  • Ren B, Liu J. Chen J. Simulating human–machine coupled model for gait trajectory optimization of the lower limb exoskeleton system based on genetic algorithm. International Journal of Advanced Robotic Systems1 2020: 1729881419893493.
  • Jatsun S, Malchikov A, Yatsun A, Khalil AM. Leon, ASM. Simulation of a walking robot-exoskeleton movement on a movable base. Journal of Artificial Intelligence and Technology4; 2021: 207-213.
  • Zhou X. Chen X. Design and evaluation of torque compensation controllers for a lower extremity exoskeleton. Journal of Biomechanical Engineering1 2021: 011007.
  • Winter DA. Biomechanics and motor control of human movement. 4th ed. Hoboken (NJ): John Wiley & Sons; 2009.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار