مطالعه تجربی رفتار مکانیکی یک نمونه اورتز فعال زانو مجهز به عملگر سری الاستیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد،گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

3 کارشناسی ارشد ارتوپدی فنی، کلینیک ارتوپدی بوعلی، بابل، ایران

چکیده

پژوهش حاضر یک اورتز فعال زانو با عملگر سری الاستیک می باشد که حرکت آن بر اساس الگوهای مشخص و تعریف شده ای، بسته به موقعیت پا در هر سیکل در گیت قدم زدن کنترل می گردد. برای شناسایی زمان مناسب اجرای هر کدام از زیر برنامه های کنترلی پیش بینی شده در طرح، از سیگنالهای ارسالی توسط چهار عدد میکرو سوییچ که در کف کفش جاسازی شده اند استفاده می شود.نمونه ای از اورتز مطابق طرح ارائه شده ساخته شده و با پرداختن به محدودیتهای ساخت دلایل انتخاب اجزاء طرح مورد تحلیل قرار می گیرد. در نهایت با برنامه ریزی طرح یک آزمایش، کارکرد اورتز ساخته شده در شرایطی آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت. نتایج آزمایش گویای این ادعا هستند که با نصب اورتز نامبرده می توان گشتاور قابل اعمال توسط زانو را تا 34 درصد افزایش داد. اورتز نامبرده در شرایط آزمایش شده بطور متوسط    W54/46  برق مصرف می کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Pratt J. E., Pratt G. A., Exploiting Natural Dynamics in the Control of a Planar Bipedal Walking Robot, Proceedings of the Thirty-Sixth Annual Allerton Conference on Communication, Control, and Computing, Conticello, Illinois, September 23-26, 1998.
[2] Ranzani R., Adaptive Human Model-Based Control for Active Knee Prosthetics, MSc Thesis, Swiss Federal Institute of Technology (ETH), Zurich, 2014.
[3] F. C. Sup IV, A Powered Self-Contained Knee and Ankle Prosthesis for Near Normal Gait in Transfemoral Amputees, PhD Thesis, Vanderbilt University, Nashville, Tennessee, 2009
[4] Winter D.A., the Biomechanics and Motor Control of Human Gait: Normal, Elderly and Pathological, pp. 20-25, University of Waterloo Press, 2nd ed., 1991.
[5] Knudson D., Fundamentals of Biomechanics, pp. 51-60, Springer Press, 2nd ed., 2007.
[6] Gunther M., Blickhan R., Joint Stiffness of the Ankle and the Knee in Running, Journal of Biomechanics,Vol. 11, No. 35, pp. 1459–1474, 2002.
[7] Dos-Santos W. M., Adriano-Siqueira A. G., Impedance Control of a Rotary Series Elastic Actuator for Knee Rehabilitation, Proceedings of the 19th World Congress of International Federation of Automatic Control Cape Town,  Cape Town ,South Africa. August 24-29, 2014.
[8] Denkena B., Eckl M., Brouwer D., Development of a Multiple Degree of Freedom Knee Disarticulation Prosthesis with Active Leg Length Variation, Journal of Modern Mechanical Engineering, Vol.4, No. 4, pp. 207-221, 2014.
[9] Arumugom S., Muthuraman S., Ponselvan V., Modeling and Application of Series Elastic Actuators for Force Control Multi Legged Robots, Journal of Computing, Vol. 1, No. 1, pp. 26-33 2009.
[10] Pratt J. E., Krupp B. T., Morse C. J., Series elastic actuators for high fidelity force control, Journal of Industrial Robot, Vol. 29, No. 3, pp. 234-241, 2002
[11] Pratt J. E., Krupp B. T., Morse C. J., Collins S. H., The RoboKnee: An Exoskeleton for Enhancing Strength and Endurance During Walking, Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics & Automation: ICRA 2004, New Orleans, LA.USA, April 26 - May 1, 2004.
[12] Mathijssen G., Cherelle P., Lefeber D., Vanderborght B., Concept of a Series-Parallel Elastic Actuator for a Powered Transtibial Prosthesis, Actuators 2013, Vol. 2, No. 3  ,  pp. 59-73, 2013.
[13] Martinez-Villalpando E. C., Herr H., Agonist-antagonist active knee prosthesis: A preliminary study in level-ground walking, Journal of Rehabilitation Research & Development, Vol. 3, No. 46, pp. 361–374, 2009.
[14] Han J., Hong D., Development of a Full-Sized Bipedal Humanoid Robot Utilizing Spring Assisted Parallel Four-Bar Linkages with Synchronized Actuation, Proceedings of the ASME 2011 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference: IDETC/CIE 2011, Washington, DC, USA, August 28-31, 2011.
[15] Liu X., Poulakakis I., On the Energetics of a Switchable Parallel Elastic Actuator Design for Monopedal Running, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics: ROBIO 2015 , Zhuhai, China, December 6-9, 2015.
[16] Vanderborght B., Tsagarakis N. G., Semini C., R. Van Ham, D.G. Caldwell, MACCEPA 2.0: Adjustable Compliant Actuator with Stiffening Characteristic for Energy Efficient Hopping, Proceedings of 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Kobe, Japan, May 12-17, 2009.
[17] Yesilevskiy Y., Xi W., Remy C. D., A Comparison of Series and Parallel Elasticity in a Monoped Hopper, Proceedings  of IEEE International Conference on Robotics and Automation :ICRA2015, Seattle, WA, USA , May 26-30, 2015.
[18] Haeufle D.F.B., Taylor M.D., S. Schmitt, H. Geyer, A clutched parallel elastic actuator concept: towards energy efficient powered legs in prosthetics and robotics, Proceedings of IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics, Rome, Italy, June 24 - 27, 2012.
[19] Rouse E. J., Mooney L. M., Martinez-Villalpando E. C., Herr H. M., Clutchable Series-Elastic Actuator: Design of a Robotic Knee Prosthesis for Minimum Energy Consumption, Proceedings of IEEE 13th International Conference on Rehabilitation Robotics: ICORR 2013, Seattle, WA USA , June 24 - 26, 2013.  
[20] Shamaei K.,   Cenciarini M.,  Adams A. A., Gregorczyk K. N., Design and Evaluation of a Quasi-Passive Knee Exoskeleton for Investigation of Motor Adaptation in Lower Extremity Joints, IEEE Transactions on Biomedical Engineering.   Vol. 61, No. 6, pp. 1809 - 1821, 2014.
[21] Peter S., Grimmer S., Lipfert S. W., Seyfarth A., Variable Joint Elasticities in Running, Autonome Mobile Systeme 2009, pp. 129-136, Springer Ed., Germany, 2009.
[22] Bereuter S., Development of an Active Knee Rehabilitation Device, MSc. Thesis, Vorarlberg University of Applied Sciences, Vorarlberg, Arizona, USA, 2011.
[23] Shamaei K., Sawicki G. S., Dollar A. M., Estimation of Quasi-Stiffness of the Human Knee in the Stance Phase of Walking, PLoS ONE, Vol. 8, No. 3, pp. 1-10, 2013.
[24] Shamaei K., Dollar A. M., On the Mechanics of the Knee during the Stance Phase of the Gait, Proceeding of 2011 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics: Rehab Week Zurich, Zurich, Switzerland, June 29 - July 1, 2011.