مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

طراحی دینامیکی و کنترل ربات دو درجه آزادی کابلی بازتوانی در صفحه عرضی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، پردیس فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
چکیده
بیماری‌هایی مانند سکته‌های قلبی و مغزی که گاهی منجر به اختلالات حرکتی در افراد می‌شوند با بالارفتن میانگین سنی جامعه، افزایش یافته است. امروزه دانشمندان پزشکی برای درمان این اختلالات استفاده از ربات‌هایی تحت عنوان ربات‌های بازتوانی را جایگزین درمانگرهای سنتی کرده‌اند. هدف اصلی این پژوهش طراحی و ساخت یک ربات بازتوانی با هزینه پایین و با قابلیت استفاده خانگی برای بیمار بود. در این پژوهش رباتی ترکیبی از کابل و فنر برای حرکت در صفحه عرضی بدن انسان معرفی شد. بدین منظور، ابتدا سختی و طول آزاد فنرها، طی یک فرآیند بهینه‌سازی به دست آمده است. سپس ناحیه کاری استاتیکی و دینامیکی برای شناسایی رفتار مکانیکی ربات محاسبه شده‌است. در پایان، کنترل‌پذیری سیستم در مسیرهای مختلف و در دو حالت حضور و عدم حضور دست بیمار بررسی و با نتایج حاصل از دستگاه ساخته‌شده صحه‌گذاری شد. نواحی کاری استاتیکی و دینامیکی حاکی از آن است که بیمار به کمک ربات طراحی‌شده به‌خوبی می‌تواند تمارین را انجام دهد. همچنین نتایج کنترلی و نتایج به‌دست‌آمده از آزمایش دستگاه ساخته‌شده نشان‌دهنده پایداری سیستم کنترلی و توانایی آن در از بین‌بردن خطاهای به‌وجودآمده احتمالی طی مسیر است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Dynamic Design and Control of a Cable Driven Rehabilitation Robot with 2 Degrees of Freedom in Transverse Plane

نویسندگان English

M. Morovat
M. Safarabadi Farahani
M. Sadigh Damghani
A. Mashayekh
Mechanical Engineering Faculty, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

Diseases such as heart and brain attacks, which sometimes lead to movement disorders in people, has raised with an increasing community age. Nowadays, medical scientists replaced rehabilitation robots instead of traditional therapeutic methods. Design and implementation of a low-cost and home-like usable device for a patient was the primary goal of this research. In this study, a robot which consisted of cable and springs for movement in the transverse plane of the human body was introduced. For this purpose, stiffness and free length of springs were achieved by an optimization process, firstly. Afterward, static and dynamic workspace calculated to identify robot mechanical characteristic. At the end, controllability of the system in different paths in two conditions of presence and absence of the patient's hand was investigated and verified by the results obtained by the built device. Dynamic and static workspace indicates that a patient can do exercises with the help of the designed robot. Also, the control results and the obtained results from the implemented device test shows the stability of the control system and its ability to eliminate possible error occurring in the path.

کلیدواژه‌ها English

Cable robot
Rehabilitation Robot
Dynamic Workspace
Static Workspace
Optimization
Kwakkel G, Kollen BJ, Krebs HI. Effects of robot-assisted therapy on upper limb recovery after stroke: A systematic review. Neurorehabil Neural Repair. 2008;22(2):111-121. [Link] [DOI:10.1177/1545968307305457]
Huang VS, Krakauer JW. Robotic neurorehabilitation: A computational motor learning perspective. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 2009;6(1):1-13. [Link] [DOI:10.1186/1743-0003-6-5]
Sheng B, Zhang Y, Meng W, Deng C, Xie S. Bilateral robots for upper-limb stroke rehabilitation: State of the art and future prospects. Medical Enginreeing Physics. 2016;38(7):587-606. [Link] [DOI:10.1016/j.medengphy.2016.04.004]
Lo HS, Xie SQ. Exoskeleton robots for upper-limb rehabilitation: State of the art and future prospects. Medical Enginreeing Physics. 2012;34(3):261-268. [Link] [DOI:10.1016/j.medengphy.2011.10.004]
Pratt GA, Williamson MM. Series Elastic Actuators. RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Human Robot Interaction and Cooperative Robots, 5-9 Aug. 1995, Pittsburgh, PA, USA. Piscataway: IEEE; 2002. [Link]
Lum SP, Reinkensmeyer DJ, Lehman SL. Robotic assist devices for bimanual physical therapy: Preliminary experiments. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 1993;1(3):185-191. [Link] [DOI:10.1109/86.279267]
Kahn LE, Lum PS, Rymer WZ, Reinkensmeyer DJ. Robot-assisted movement training for the stroke-impaired arm: Does it matter what the robot does?, Journal of Rehabilitation Research Development. 2006;43(5):619-630. [Link] [DOI:10.1682/JRRD.2005.03.0056]
Bruckmann T, Pott A, editors. Cable-driven parallel robots. Berlin: Springer Science & Business Media; 2012. [Link] [DOI:10.1007/978-3-642-31988-4]
Tobias N, Mihelj M, Riener R. ARMin: A robot for patient-cooperative arm therapy. Medical & Biological Engineering & Computing. 2007;45(9):887-900. [Link] [DOI:10.1007/s11517-007-0226-6]
Mihelj M Nef T, Riener R. ARMin II - 7 DoF rehabilitation robot: Mechanics and kinematics Proceedings 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Roma, Italy: IEEE; 2007. [Link] [DOI:10.1109/ROBOT.2007.364112]
Staubli P, Nef T, Klamroth-Marganska V, Riener R. Effects of intensive arm training with the rehabilitation robot ARMin II in chronic stroke patients: Four single-cases. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation volume. 2009;6(1):46. [Link] [DOI:10.1186/1743-0003-6-46]
Hiller M, Fang S, Mielczarek S, Verhoeven R, Franitza D. Design, analysis and realization of tendon-based parallel manipulators. Mechanism and Machine Theory. 2005;40(4):429-445. [Link] [DOI:10.1016/j.mechmachtheory.2004.08.002]
Rosati G, Gallina P, Masiero S. Design, implementation and clinical tests of a wire-based robot for neurorehabilitation. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 2007;15(4):560-9. [Link] [DOI:10.1109/TNSRE.2007.908560]
Agrawal SK, Dubey VN, Gangloff JJ, Brackbill E, Mao Y, Sangwan V. Design and optimization of a cable driven upper arm exoskeleton. Journal of Medical Devices. 2009;3(3):031004. [Link] [DOI:10.1115/1.3191724]
Rosati G, Zanotto D, Agrawal SK. On the design of adaptive cable-driven systems. Journal of Mechanisms and Robotics. 2011;3(2):021004. [Link] [DOI:10.1115/1.4003580]
Sulzer JS, Peshkin MA, Patton JL. Design of a mobile, inexpensive device for upper extremity rehabilitation at home. IEEE 10th International Conference on Rehabilitation Robotics. Noordwijk, Netherlands: IEEE; 2007. [Link] [DOI:10.1109/ICORR.2007.4428535]
Miripour Fard B, Padargani T. Controllable workspace generation for a cable-driven rehabilitation robot using neural network and based on patient's anthropometric parameters. Modares Mechanical Engineering. 2015;15(3):137-145. [Persian] [Link]
Taghavi A, Behzadipour S, Khalilinasab N, Zohoor H. Workspace improvement of two-link cable-driven mechanisms with spring cable. In: Bruckmann T, Pott A, editos. Cable-Driven Parallel Robots. Heidelberg: Springer; 2013. [Link] [DOI:10.1007/978-3-642-31988-4_13]
Bamdad M, Zarshenas H. Robotic rehabilitation with the elbow stiffness adjustability. Modares Mechanical Engineering. 2015;14(11):151-158. [Persian] [Link]