تحلیل پایداری ایستادن یک فرد دارای آسیب نخاعی با هدف بهبود طراحی ارتز
چکیده
امروزه بحث توانبخشی افراد دچار ناتوانایی هایی بدنی توسط سیستم های مکانیکی توجه زیادی را به خود جلب کرده است. این سیستم های مکانیکی می توانند به صورت منفعل یا فعال باشندو به دو منظور کلی مورد استفاده قرارگیرند:1- درمان ناتوانایی های بدنی 2-ایجاد استقلال در زندگی افراددارای ناتوانی بدنی برای انجام فعالیت های روزمره. هدف از انجام این تحقیق بررسی عملکرد یک دسته ی خاص از این سیستم ها یعنی ارتزها برای ایستادن افراد آسیب نخاعی است که هم می تواند با اهداف درمانی و هم برای ایجاد استقلال در انجام فعالیت ها مورد استفاده قرار گیرد. ارتزها می توانند فعال یا غیر فعال باشند و بسته به سطح آسیب نخاعی باید حد مورد نیاز پشتیبانی را برای فرد ناتوان فراهم کنند. در این تحقیق ساختمان یک ارتز ران-زانو-قوزک-پا غیر فعال مورد بررسی قرار گرفته است که به تازگی در دانشکده مهندسی پزشکی دانشگاه استرتکلاید طراحی و ساخته شده است. در بخش اول به بررسی عملکرد ایستادن استاتیکی و دینامیکی با یک ارتز تازه ساخته شده برای استفاده افراد آسیب نخاعی پرداخته ایم. برای این منظور یک مدل سریال پنج لینکی را به عنوان مدل فرد و ارتز در هنگام ایستادن درصفحه طولی که دارای دو درجه آزادیست، در نظر گرفتیم وسپس به استخراج معادلات حرکت سیستم پرداختیم. موقعیت های تعادل سیستم از معادلات حرکت قابل محاسبه هستندو باید دو قید را ارضا کنند: اول پایداری دینامیکی سیستم که مقادیر ویژه سیستم مورد نظر حول نقاط تعادل تعیین کننده آن است؛ دوم پایداری استاتیکی، به این معنا که موقعیت مرکزجرم تصویر شده بدن باید در چندضلعی تکیه گاهی یعنی کف پا قرار گیرد. نتایج مدل پیشنهادی در ابتدا با نتایج تحقیقات پیشین اعتبار سنجی گردید. در ادامه مدل براساس نتایج تجربی نیز صحت سنجی شدو برای محاسبه محدوده زوایای مفاصل که می توانند منجر به ایستادن پایدار گردند مورد استفاده قرارگرفت. این یافته از دست آوردهای اساسی این پایان نامه است و می تواند برای ساخت نسل های آینده ارتز راه گشا باشد. پس از بررسی کامل مسئله ایستادن استاتیکی با ایده ای مشابه، به بررسی ایستادن دینامیکی برای فردی که با ارتز مورد نظر ایستاده است و در حال انجام فعالیتی با دست است، براساس پایداری دینامیکی مفصل ران و پایداری سیستم براساس مفهوم نقطه ممان صفر پرداختیم و در این جا نیز یک حل عمومی ارائه کردیم که محدوده ای از زوایای مفاصل را که می تواند سبب ایستادن پایدار دینامیکی شود، ارائه می کند . پس از بررسی سیستم به صورت منفعل درهر دو حالت استاتیکی ودینامیکی، در بخش بعد با فرض استفاده از عملگر در مفصل ران به کنترل فعال ایستادن با در نظر گرفتن قید نقطه ممان صفر در حضور اغتشاشات پرداختیم. در قسمت پایانی این تحقیق به بررسی راه رفتن یک ربات دوپای نه لینکی پرداختیم. در ابتدا یک مسیر پایدار برای راه رفتن ربات با فرض عدم حرکت دست ها و بالاتنه طراحی گردید و اثر جرم قابل حمل توسط دست ها برپایداری مسیر طراحی شده بررسی گردید. در انتها برای یافتن استراتژی های پایدارسازی ربات ابتدا یک مسیر برای تنه در جهت تحقق حالت ایده آل پایداری طراحی شد و پس از آن با روشی مشابه از حرکت دست ها نیز به تنهایی برای تحقق حالت ایده آل نقطه ممان صفر استفاده شد.