طراحی یک مفصل جدید شخصی‌سازی شده با الهام از بیولوژیک زانو برای کاهش ناهماهنگی بین بریس‌ها و اگزواسکلتون‌ها با مفصل زانو

عدم تطابق عمل‌کرد یک بریس زانو با سینماتیک مفصل زانو باعث ایجاد آسیب و درد بیش‌تر در زانوی فرد مبتلا به آرتروز می‌شود. برای مفید بودن این وسیله، باید ناهماهنگی بین مفصل زانو و بریس به حداقل خود رسانده شود. حرکت مفصل زانوی انسان، ترکیبی از غلتش و لغزش با هم بوده و از طرفی در تمام مفصل‌های بریس‌های تجاری تنها از مکانیسم‌های غلتشی و یا دورانی استفاده شده است که توانایی تقلید حرکت مفصل زانوی انسان را ندارند. برای جبران این نقص و کاهش ناهماهنگی، در این مقاله به طراحی یک مفصل الحاقی جدید بر اساس ویژگی بیومکانیک زانو برای بریس‌های تجاری پرداخته شده است. برای این منظور ابتدا سینماتیک مفصل زانو به طور کامل بررسی شده و عمل‌کرد استخوان فمور از اکستنشن کامل تا فلکشن کامل زانو شبیه‌سازی گردیده است. با استفاده از این شبیه‌سازی، مسیر حرکتی جدیدی برای استخوان فمور از تداخل محور قدامی و خلفی این استخوان در طول خمش زانو با صفحه‌ی ساجیتالی که در محل قرارگیری مفصل بریس زانو تعیین شده به دست آمده است. این دو منحنی مسیر استخوان فمور نسبت به سایر مسیر‌های به دست آمده دقت بسیار بیش‌تری با سینماتیک مفصل زانو دارند. بر اساس این دو مسیر، مکانیسم جدیدی برای مفصل بریس‌های زانو به صورت یک مکانیسم شش لینکی استفنسون نوع سوم طراحی و بهینه‌سازی شده است تا این وسایل تطابق کافی و لازم را با سینماتیک مفصل زانو داشته باشند. برای بهینه‌سازی هندسه‌ی مکانیسم از الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات استفاده شده است. در نهایت مشاهده شده که سینماتیک مفصل بریس طراحی شده می‌تواند حرکت زانوی انسان را تقلید کند و نسبت به سایر مفصل‌های بریس‌های تجاری، ناهماهنگی بسیار کم‌تری داشته باشد.عدم تطابق عمل‌کرد یک بریس زانو با سینماتیک مفصل زانو باعث ایجاد آسیب و درد بیش‌تر در زانوی فرد مبتلا به آرتروز می‌شود. برای مفید بودن این وسیله، باید ناهماهنگی بین مفصل زانو و بریس به حداقل خود رسانده شود. حرکت مفصل زانوی انسان، ترکیبی از غلتش و لغزش با هم بوده و از طرفی در تمام مفصل‌های بریس‌های تجاری تنها از مکانیسم‌های غلتشی و یا دورانی استفاده شده است که توانایی تقلید حرکت مفصل زانوی انسان را ندارند. برای جبران این نقص و کاهش ناهماهنگی، در این مقاله به طراحی یک مفصل الحاقی جدید بر اساس ویژگی بیومکانیک زانو برای بریس‌های تجاری پرداخته شده است. برای این منظور ابتدا سینماتیک مفصل زانو به طور کامل بررسی شده و عمل‌کرد استخوان فمور از اکستنشن کامل تا فلکشن کامل زانو شبیه‌سازی گردیده است. با استفاده از این شبیه‌سازی، مسیر حرکتی جدیدی برای استخوان فمور از تداخل محور قدامی و خلفی این استخوان در طول خمش زانو با صفحه‌ی ساجیتالی که در محل قرارگیری مفصل بریس زانو تعیین شده به دست آمده است. این دو منحنی مسیر استخوان فمور نسبت به سایر مسیر‌های به دست آمده دقت بسیار بیش‌تری با سینماتیک مفصل زانو دارند. بر اساس این دو مسیر، مکانیسم جدیدی برای مفصل بریس‌های زانو به صورت یک مکانیسم شش لینکی استفنسون نوع سوم طراحی و بهینه‌سازی شده است تا این وسایل تطابق کافی و لازم را با سینماتیک مفصل زانو داشته باشند. برای بهینه‌سازی هندسه‌ی مکانیسم از الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات استفاده شده است. در نهایت مشاهده شده که سینماتیک مفصل بریس طراحی شده می‌تواند حرکت زانوی انسان را تقلید کند و نسبت به سایر مفصل‌های بریس‌های تجاری، ناهماهنگی بسیار کم‌تری داشته باشد.

designing a novel personalized bio-inspired knee joint for misalignment reduction between knee braces and exoskeletons with knee joint

the lack of alignment between the performance of a knee brace and the kinematics of the knee joint can lead to damage and pain in the knee of individuals suffering from arthritis. more compatibility between the knee joint and the brace leads to more effectiveness of these devices. human knee movement is a combination of rolling and sliding, while most commercial braces use rotational or hinge mechanisms that cannot fully mimic the movement of the human knee. to address this limitation and reduce the incongruence in commercial braces, this paper aims to design a novel supplementary knee brace mechanism based on the biomechanical features of the knee for replacement in commercial braces. initially, the knee joint’s kinematics is thoroughly studied, and the femur bone’s performance from full extension to full flexion is simulated. then, using this simulation, the intersection points of the anterior and posterior femoral bone axes during the knee flexion were identified on the sagittal plane where the knee brace joint is positioned. therefore, the two new curves of the femur bone path are much more related to the kinematics of the knee than the other obtained paths. based on these two path curves, the supplementary knee joint was designed as a type-3 six-link stephenson mechanism to achieve a sufficient and necessary alignment with knee joint kinematics. for optimization of the geometry of the mechanism, the pso algorithm has been used. the designed brace kinematics demonstrates the ability to mimic human knee movement and exhibit much less incongruence compared to other commercial brace joints.