تقلید رفتار مچ پا توسط پروتز فعال زیر زانو و ارزیابی عملکرد مکانیکی آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

قطع عضو اندام تحتانی درصد بالایی از قطع عضوهای بدن را به خود اختصاص داده و به‌طور قابل توجهی باعث کاهش توانایی‌های حرکتی فرد می‌شود. بنابراین مهم ترین هدف در طراحی پروتز، بازگرداندن عملکرد عضو می‌باشد. بیشتر پروتزهای تجاری مچ پا، غیرفعال بوده و مشکلات بالینی بسیاری برای فرد قطع عضو شده ایجاد می‌کنند. گرچه با بهره‌گیری از اجزای فعال، پروتزهای قدرت یافته‌ی بسیاری جهت بهبود حرکت فرد طراحی شده‌اند، اما چنین طراحی هایی هنوز هم نیازمند محر کهای سنگین و بزرگی بوده تا بتوانند توان لازم جهت به جلو راندن بدن را ایجاد کنند. هدف اصلی طراحی حاضر، به‌کارگیری مجموعه ای از فنرها و محرکی با توان پایین، جهت ذخیره‌ی انرژی در فاز ایستایش و آزادسازی آن در زمان به جلو راندن بدن است. به این ترتیب با استفاده از موتوری با اندازه و وزن پایین، گشتاور و توان مکانیکی مورد نظر در راه رفتن طبیعی فراهم شده و سختی مچ پا در هر مرحله از قدم زدن، انطباق خوبی با ویژگی‌های مچ پای طبیعی پیدا می‌کند. در انتها، به منظور ارزیابی عملکرد پروتز، شبیه سازی آن در محیط سیم‌ مکانیک متلب انجام گرفت. نتایج نشان می‌دهد که این پروتز قادر است نمودار گشتاور-زاویه و توان-درصد سیکل مچ پای طبیعی را به خوبی دنبال کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Imitating Sound Ankle Behavior with a Powered Below-Knee Prosthesis and Validation of its Mechanical Performance

نویسندگان [English]

  • P. Shokrani 1
  • L. Ghorbani 2
  • H. Sadeghian 2
1 Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
2 Engineering Department, University of Isfahan, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Lower extremity amputation constitute high percentage of limb amputation which significantly reduce the motion ability of the amputees. Therefore the most important goal in the design of prosthesis is to restore function of the limb. Most of the commercially ankle-foot prostheses are passive and thus cause many gait pathologies for below knee amputees. Several powered prosthetic devices have been designed to improve amputee’s walking experience by exploiting active elements. However, most of them include heavy and bulky actuators which is used to produce the power of propulsion. The main purpose of the present design is to store energy during stance period and release it at push off using a combination of springs as well as a low power actuator. Therefore, this prosthesis can provide high mechanical power and torque observed in natural human walking, by employing a small and light actuator. Moreover, in the designed mechanism, the ankle stiffness is mimicked properly in each phase of walking based on the characteristics of a sound ankle. The performance of the proposed prosthesis, was verified by MATLAB/SimMechanics simulation. The results indicate that the ankle-foot prosthesis is capable of following the torque-angle and the power-percent gait cycle characteristics of a normal ankle, sufficiently.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Active transtibial prosthesis
  • Ankle joint
  • Walking gait cycle
  • Series elastic actuator

مراجع

[1] S.K. Au, J. Weber, H. Herr, Biomechanical design of a powered ankle-foot prosthesis, in: Rehabilitation Robotics, 2007. ICORR 2007. IEEE 10th International Conference on, IEEE, 2007, pp. 298-303.
[2] J. Geeroms, Study and Design of an Actuated Below-Knee Prosthesis, in, Citeseer, 2011.
[3] Y. Zeng, Design and testing of a passive prosthetic ankle with mechanical performance similar to that of a natural ankle, (2013) .
[4] A. Arya, A. Lees, H. Nerula, L. Klenerman, A biomechanical comparison of the SACH, Seattle and Jaipur feet using ground reaction forces, Prosthetics and Orthotics International, 19(1) (1995) 37-45.
[5] B.J. Hafner, J.E. Sanders, J.M. Czerniecki, J. Fergason, Transtibial energy-storage-and-return prosthetic devices: a review of energy concepts and a proposed nomenclature, Journal of rehabilitation research and development, 39(1) (2002) 1-12.
[6] M.F. Eilenberg, H. Geyer, H. Herr, Control of a powered ankle–foot prosthesis based on a neuromuscular model, IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering, 18(2) (2010) 164-173.
[7] D. Hill, H. Herr, Effects of a powered ankle-foot prosthesis on kinetic loading of the contralateral limb: A case series, in: Rehabilitation Robotics (ICORR), 2013 IEEE International Conference on, IEEE, 2013, pp. 1-6.
[8] S.K. Au, P. Dilworth, H. Herr, An ankle-foot emulation system for the study of human walking biomechanics, in: Robotics and Automation, 2006. ICRA 2006. Proceedings 2006 IEEE International Conference on, IEEE, 2006, pp. 2. 2945-939.
[9] B. Brackx, M. Van Damme, A. Matthys, B. Vanderborght, D. Lefeber, Passive ankle-foot prosthesis prototype with extended push-off, International journal of advanced robotic systems, 10(2) (2013) 101.
[10] S.K. Au, J. Weber, H. Herr, Powered Ankle-Foot Prosthesis Improves Walking Metabolic Economy, IEEE Transactions on Robotics, 25(1) (2009) 51-66.
[11] R. Versluys, A. Desomer, G. Lenaerts, O. Pareit, B. Vanderborght, G. Perre, L. Peeraer, D. Lefeber, A biomechatronical transtibial prosthesis powered by pleated pneumatic artificial muscles, International Journal of Modelling, Identification and Control, 4(4) (2008) 394-405.
[12] J. Sun, Powered transtibial prosthetic device control system design, implementation and testing, Marquette University, 2012.
[13] R.D. Bellman, M.A. Holgate, T.G. Sugar, SPARKy 3: Design of an active robotic ankle prosthesis with two actuated degrees of freedom using regenerative kinetics, in: Biomedical Robotics and Biomechatronics, 2008. BioRob 2008. 2nd IEEE RAS & EMBS International Conference on, IEEE, 2008, pp. 511-516.
[14] P. Cherelle, V. Grosu, A. Matthys, B. Vanderborght, D. Lefeber, Design and validation of the ankle mimicking prosthetic (AMP-) foot 2.0, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 22(1) (2014) 138-148.
[15] J. Zhu, Q. Wang, L. Wang, On the Design of a Powered Transtibial Prosthesis With Stiffness Adaptable Ankle and Toe Joints, IEEE Trans. Industrial Electronics, 61(9) (2014) 4797-4807.
[16] S. Au, M. Berniker, H. Herr, Powered ankle-foot prosthesis to assist level-ground and stair-descent gaits, Neural Networks, 21(4) (2008) 654-666.
[17] D.A. Winter, Biomechanics and motor control of human gait: normal, elderly and pathological, 1991.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 50، شماره 5
آذر و دی 1397
صفحه 1137-1144

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار