مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

طراحی و شبیه سازی ارتز زانو با عملگر فنر پیچشی

نویسندگان
1 گروه طراحی کاربردی، دانشکده مهندسی مکانیک، پردیس دانشکده های فنی، دانشگاه نهران
2 استادیار دانشکده مکانیک دانشگاه تهران
3 عضو هیات علمی دانشگاه تهران
4 دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تهران
چکیده
ارتزهای زانو و قوزک با در بر گرفتن مفاصل زانو و قوزک پا، به اصلاح الگوی راه رفتن بیماران کمک می کنند. بیماران دارای ضعف عضله ی چهار سر ، به دلیل الگوی سفتی غیر طبیعی مفصل زانو، از محدودیت هایی در حرکات اکستنشن و کنترل فلکشن مفصل زانوی خود در طی سیکل گیت رنج می‌برند. در این مقاله با طراحی ارتز مناسب با دو مکانیزم متفاوت در طول فاز های ایستادن و گام برداری ، نیاز بیماران مختلف دارای ضعف عضله ی چهار سر پاسخ داده شده است. مکانیزم فاز ایستادن، حرکت مفصل زانو را از لحظه ی تماس اولیه تا انتهای فاز مید-استنس قفل کرده و با توجه به جهت گیری پا بعد از فاز مید-استنس، مفصل زانو می تواند آزادانه فلکشن کند. ابتدا با استفاده از نرم افزار اپن سیم و داده برداری آنالیز حرکت برای هر بیمار، در هر گام زمانی مقدار گشتاور مورد نیاز برای تقلید سفتی مفصل زانوی طبیعی به صورت بهینه شده محاسبه می‌شود. سپس با استفاده از فنر پیچشی، گشتاور مورد نیاز جهت اصلاح سفتی مفصل زانو دو بیمار با مقدار ضعف عضلانی متفاوت را باز تولید کردیم. با طراحی جداگانه ارتز برای هر بیمار با مقدار ضعف عضلانی مختلف، توانستیم با استفاده از ارتز پیشنهاد شده پروفایل سفتی مفصل سالم را تقلید کرده و امکان تجربه ی سیکل گیت روان تر را برای هر بیمار بوجود بیاوریم. استفاده از این ارتز نه تنها باعث بهبود الگوی گیت بیماران شده بلکه سبب جلوگیری از آسیب به عضلات سالم بیمار نیز می شود.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Design and Analysis of a knee-ankle-foot orthosis using torsional spring

نویسندگان English

Farshid Sadeghian 1
Morad Karimpour 2
Mohammad Reza Zakerzadeh 3
Mostafa Baghani 4
1 School of Mechanical Engineering, College of engineering, University of Tehran
2 Assistant Professor, School of Mechanical Eng, University of Tehran
4 School of mechanical engineering, University of Tehran
چکیده English

Many people suffering from neuromuscular diseases, have some degree of limitations in their walking pattern. Knee-Ankle-Foot Orthoses (KAFOs) help correct patients’ gait pattern by supporting knee and ankle joints. Patients with quadriceps muscle weakness suffer from some restrictions in extension as well as in controlling their flexion during the gait cycle because of abnormal stiffness pattern of the knee joint. This paper addresses patients with quadriceps muscle weakness by designing an appropriate orthosis utilizing two different mechanisms for the stance and swing phases. Stance phase mechanism locks knee joint movement from the initial-contact up to the end of mid-swing phase and with regards to the orientation of the foot after mid-stance phase, the knee joint can flex freely. The required moment to reproduce the stiffness of a normal knee joint is calculated using the OpenSim software package in conjunction with the data collected from the motion analysis of each patient.
The required moment to modify the stiffness of the knee joint for two patients with different levels of muscle weakness was reproduced using a torsional spring. By designing patient-specific orthosis, the stiffness profile of normal joint for each patient with distinct level of muscle weakness can be reproduced, allowing patients to experience smother gait cycle. Using this orthosis not only improves the patient’s gait cycle but also prevents potential damage to healthy muscles.

کلیدواژه‌ها English

Knee-Ankle-Foot Orthosis (KAFO)
Torsional spring
OpenSim
Stiffness
Quadriceps weakness