طراحی سینماتیکی و مدل سازی ربات کمک حرکتی نیم تنه پایینی بدن
چکیده
با توجه به آمارهای جهانی، جمعیت افراد مبتلا به بیماری های منجر به ضعف در اندام های حرکتی، چاقی و کهولت سن رو به افزایش است و یکی از شایع ترین مشکلات این افراد، مربوط به عدم توانایی آنها در تحمل وزن بدن و دردهای ناشی از فشار بر روی مفاصل پا می باشد. لذا استفاده از ربات هایی برای کمک به حرکت این افراد، بسیار ضروری به نظر می رسد. در این پژوهش پس از آشنایی با مفاهیم اولیه مربوط به ربات های کمک حرکتی و بررسی بیومکانیکی حرکت انسان، به طراحی ساختار حرکتی ربات پرداخته می شود. هدف اصلی از طراحی این ربات اعمال یک نیروی کمکی به کاربر در راستای نیروی وارده به کف پای وی، یعنی در جهت خط واصل مرکز فشار کف پا به نقطه ای موسوم به نقطه اتکای مجازی می باشد. در کنار هدف اصلی طراحی یعنی اعمال نیروی مذکور، در طراحی سعی شده است تا ربات، درجات آزادی طبیعی نیم تنه پایین را محدود نکند و کمترین اثر را بر حرکت طبیعی کاربر داشته باشد. علاوه بر این با توجه به مشکل تأمین انرژی در این ربات ها، تا جای امکان سعی شده است که در ساختار طراحی شده، بیشتر مفاصل غیرفعال باشند تا نیاز به منبع انرژی بزرگ تر کاهش پیدا کند. پس از انجام بررسی های گوناگون در مورد ساختارهای حرکتی مختلف، دو ساختار حرکتی غیر انتروپومورفیک، یکی با مفصل فعال کشویی و دیگری با مفصل فعال دورانی طراحی می شوند. هر دو ساختار طراحی شده شامل یک لینک شبیه به صندلی هستند که نیروی کمکی از طریق آن به کاربر وارد می شود. این دو ساختار همچنین شامل دو لینک به شکل پا و دو لینک به عنوان کفش می باشند که توسط کاربر پوشیده می شود. به منظور بررسی سینماتیک ربات فرض شده است که لینک صندلی دارای 6 درجه آزادی باشد و هر پا نیز 6 درجه آزادی نسبت به آن داشته باشد. این امر سبب می شود تا نیروهای قیدی کف پا وارد مدل دینامیکی شده و حجم مدل نیز نسبت به روش های دیگر مدل سازی کاهش یابد. به منظور اطمینان از صحت مدل دینامیکی، ساختار طراحی شده با استفاده از روش های لاگرانژ و کین مدل سازی شده و مدل به دست آمده صحه گذاری می شود. در نهایت پس از طراحی مسیر برای حرکت ربات ها، با توجه به حرکت واقعی انسان و با استفاده از داده های کلینیکی راه رفتن، نیروی وارد به کاربر و همچنین نیروهای وارد به پاهای تکیه گاهی و متحرک با استفاده از مدل دینامیکی محاسبه می شود. میزان انحراف نیروی کمکی وارده به کاربر نسبت به راستای مطلوب نیز محاسبه شده و مورد بررسی قرار می گیرد. سپس با بهره گیری از نیرو و گشتاور های محاسبه شده، در مورد پایداری ربات بحث می شود. در نهایت نیز عملکرد دو ساختار طراحی شده، مقایسه می شود.