شبیه سازی نیروهای تعاملی یک دستگاه توانبخشی راه رفتن با مدل اسکلتی-عضلانی انسان

امروزه با توجه به افزایش بیماران کم‌توان حرکتی،وجود ربات های توانبخشی ضروری است.برای بهبود طراحی دستگاه‌های توانبخشی، مدل‌های اسکلتی-عضلانی به طور گسترده‌ای جهت تجزیه وتحلیل نیرو‌های تعاملی بین بدن و این دستگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.دراین مقاله بااستفاده از نرم افزار اپن سیم،به مدلسازی یک دستگاه توانبخشی به همراه یک مدل اسکلتی-عضلانی بدن پرداخته شده‌است.این دستگاه توانبخشی پیشتر براساس مکانیزم تک درجه آزادی جنسن باهشت عضو طراحی شده‌است ودارای سیستم تعلیق وزن برای حمایت از وزن بیمار می‌باشد.این دستگاه توانبخشی برای هردو طرف چپ و راست بدن صرفااز یک محرک بهره می‌بردکه محور چرخان مکانیزم‌ها را دوران می‌دهد.به منظور بررسی نیروهای تعاملی بین دستگاه و بدن،از شبیه‌سازی سینماتیک و دینامیک مستقیم استفاده شده و زوایای مفاصل به دست آمده‌است.سپس به شبیه سازی دینامیک معکوس به کمک نرم افراز پرداخته شده ومیزان نیروها و گشتاورهای وارد شده درنقاط تماسی و مفاصل برای هر بازه زمانی تخمین زده شده‌اند.نتایج نشان می‌دهد که میزان نیرو‌های تعاملی در نقطه تماس ران با صندلی حدود 750 نیوتن است که متناسب با وزن کاربر که 75 کیلوگرم در نظر گرفته شده است می‌باشد.همچنین نیرو و گشتاور‌‌های بدست آمده در نقطه اتصال پا با پدال، حدود 16 نیوتن در جهت قائم می‌باشد که ناشی از وزن کاربر و دستگاه است و سایر مولفه‌های آن در حدود 2 نیوتن بوده که در مقایسه با مولفه قائم ناچیز است. همچنین میزان گشتاور تولید شده در محل اتصال پدال به پا حدود 0.01 نیوتن متر می‌باشد. نتایج این پژوهش می تواند به بهبود طراحی و بهینه سازی دستگاه توانبخشی کمک شایانی نماید.

modeling and simulation of the interaction forces between the gait rehabilitation system with a musculoskeletal-model of human body

nowadays,due to the increase of patients with low mobility,the presence of rehabilitation robots is necessary.to improve design of rehabilitation devices,musculoskeletal models are widely used to analyze interaction forces between human body and assistive devices.in this study,combined model of rehabilitation system with musculoskeletal model of the body has been discussed using opensim software.this system has already been designed based on jensen’s 1 dof mechanism with eight links, and has weight supporter system to support the patient’s weight.system uses only one actuator for both the left and right sides of the body,which rotates the crank.interaction forces between the device and the body are investigated.for this purpose,by using kinematic simulations and direct dynamics,movement of the rehabilitation system has been simulated.then,by static optimization and performing inverse dynamics simulation,the amount of force and torque applied at the points of contact and each joint have estimated.results show that interaction forces at the point of contact between the user’s hip and the seat of the mechanism are 750 newtons,which is proportional to the weight of the user,which is considered to be 75 kg.forces and torques obtained at the connection point of the feet with the pedal are 16 newtons in the vertical direction,which is caused by the weight of the user and the device,and other components are 2 newtons, which is insignificant compared to the vertical component, as well as torque produced at the place where the pedal is connected to the foot, is 0.01 nm. the results of this study can significantly contribute to improve the design and optimization of the rehabilitation devices.