طراحی، ساخت و کنترل دستگاه توانبخشی ایزوکینتیک پا با عملگر سرونیوماتیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

3 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله طراحی و ساخت نمونه‌ی آزمایشگاهی از دستگاه توانبخشی به‌منظور انجام تمرینات ایزوکینتیک با استفاده از عملگر نیوماتیک ارائه شده است. در انجام تمرین ایزوکینتیک حرکت فعال عضو با سرعت ثابت بایستی تامین گردد. برای تامین این حرکات عملگر مورد استفاده بایستی یک مقاومت تطبیق‌یافته در برابر تلاش بیمار را تامین کند. بنابراین چالش اصلی، طراحی کنترل‌کننده‌ی سرعت برای عملگر در حضور اغتشاش اعمالی توسط بیمار است. این امر با استفاده از عملگرهای الکتریکی در سطوح تجاری تامین شده است. اما در کنار هزینه‌ی بالای این ابزارهای تجاری، نرمی پایین عملگرهای الکتریکی مهمترین مشکل استفاده از آنها در توانبخشی است. استفاده از عملگرهای نیوماتیکی قیمت نهایی را کاهش داده و سیستم را از مزایای عملگرهای نیوماتیک نظیر نرمی بالا و نسبت توان به وزن بالا بهره‌مند می‌سازد. این امر مستلزم فائق آمدن بر مشکل کنترل سرعت عملگر نیوماتیک در حضور چالش‌های مطرح شده برای انجام تمرینات ایزوکینتیک است. در این تحقیق مدلسازی سیستم و طراح کنترل‌کننده‌ی سرعت برای حالت انقباض عضله‌ی پا مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج آزمایشگاهی امکان استفاده از عملگر سرونیوماتیکی برای تامین حرکات ایزوکینتیک در توانخبشی پا، را به‌خوبی نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Mozaffarian D., Benjamin E.J., Go A.S., et al., Heart disease and stroke statistics 2015 update: a report from the American Heart Association, e29-322, 2015.
[2]  Johnell O., Kanis J.A., An estimate of the worldwide prevalence and disability associated with osteoporotic fractures, Osteoporosis International, Vol. 17, No. 12, pp 1726-1733, December 2006.
[3]  Hogan H., Frebs H.I., Sharon A., Charnnarong 1.  US Patent 5466213, November 1995.
[4]  Stein J., Krebs H.I., Frontera W.R., et al., Comparison of two techniques of robot-aided upper limb exercise training after stroke, American Journal of Physical Medical Rehabilitation No. 83, pp. 720–728, 2004.
[5]  Saglia J.A., Tsagarakis N.G., Dai J.S., Caldwell D.G., A high-performance redundantly actuated parallel mechanism for ankle rehabilitation, International Journal of Robotics Research, Vol. 28, No. 9, pp. 1216–1227, 2009.
[6]  Ding Y., Sivak M., Weinberg‌ B., et al., NUVABAT: northeastern university virtual ankle and balance trainer, In Proceedings of the IEEE Haptics Symposium, pp. 509–514, Waltham, USA, 2010.
[7]  Payton C., Bartlett R., Biomechanical Evaluation of Movement in Sport and Exercise, The British Association of Sport and Exercise Science Guideline, Routledge, 2007.
[8]  Moughamir, S., Zaytoon J., Manamanni, N., Afilal L., A system approach for control development of lower limbs training machines, Control Eng. Pract., No. 10, pp. 287-299, 2002.
[9]  Oda K., Isozumi S., Ohyama Y., Tamida K., et al., Development of Isokinetic and Iso-contractile Exercise Machine "MEM-MRB" Using MR Brake, IEEE 11th International Conference on Rehabilitation Robotics Kyoto, Japan, 2009.
[10]             Deaconescu T., Deaconescu A., Pneumatic Muscle Actuated Isokinetic Equipment for the Rehabilitation of Patients with Disabilities of the Bearing Joints, Proceedings of IMECS, Hong Kong, 2009.
[11]             Nikitczuk J., Weinberg B., Canavan P. K., Mavroidis C., Active knee rehabilitation orthotic device with variable damping characteristics implemented via an electrorheological fluid, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 15, No. 6, pp. 952–960, 2010.
[12]             Maciejasz P., Eschweiler J., Gerlach K., et al. A survey on robotic devices for upper limb rehabilitation, Journal of Neuro Engineering and Rehabilitation, Vol. 11, No. 3, 2014.
[13]             Richardson R., Brown M., Bhakta B., Levesley M., Impedance control for a pneumatic robot-based around pole-placement joint space controllers, Control Engineering Practice, Vol. 13, pp. 291–303, 2005.
[14]             Wolbrecht E. T., Reinkensmeyer D. J., Bobrow J. E., Pneumatic Control of Robots for Rehabilitation, The International Journal of Robotics Research, 2010.
[15]  Saga N., Kirihara K., Design of Upper Limb Assistive Device Using a Pneumatic Cylinder, Journal of Rehabilitation Robotics, Vol. 9, pp. 9-18, 2013.