مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

طراحی، کنترل و ارزیابی عملی ارتز فعال زانو با الگوی حرکتی قابل تنظیم جهت کمک به افراد دچار آسیب نخاعی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
2 دانشگاه تربیت مدرس
10.48311/mme.2026.118299.82908
چکیده
در افراد آسیب نخاعی که برای راه رفتن از ارتزهای سنتی استفاده می‌کنند، قفل بودن زانو باعث فاصله گرفتن الگوی حرکتی از حالت طبیعی شده و این امر باعث کاهش راندمان و افزایش خستگی در فرد می‌گردد. برای حل این مشکل، در این پژوهش یک ارتز فعالِ سبک با عملگر الکتریکی فشرده در مفصل زانو معرفی شده است. راهبرد کنترل این ارتز به‌صورت سلسله‌مراتبی و دو سطحی است. به این‌صورت که در کنترل سطح بالا، یک ماشین حالت وظیفه‌ی مدیریت وضعیت‌های مختلف کاربر را برعهده داشته و در کنار آن یک تولیدکننده‌ی مسیر با توجه به متغیرهای انتخاب‌شده توسط کاربر مسیر مرجع زانو را تولید می‌کند. در این بخش، برای اعمال تغییرات مدنظر در متغیر سرعت، از روش زمان‌بندی تدریجی (رمپ سرعت) جهت پیوستگی و نرمی حرکت زانو استفاده شده است. در کنترل سطح پایین، کنترل‌کننده‌ی امپدانسی مبتنی بر موقعیت به‌منظور دنبال‌کردن مسیر مرجع، مستقر است. برای ارزیابی عملکرد، مطالعه‌ای روی فرد آسیب نخاعی در دو وضعیت پوشیدن ارتز سنتی و ارتز فعال پیشنهادی با شاخص‌های بالینی رایج (آزمون ۱۰ متر و آزمون ۶ دقیقه) انجام گردید. نتایج نشان داد که با استفاده از ارتز فعال، سرعت راه‌رفتن فرد در آزمون ۱۰ متر افزایش قابل توجهی می‌یابد در حالی‌که مسافت طی‌شده برای دو تجهیز در آزمون ۶ دقیقه مشابه بوده و تغییرات ضربان قلب نیز در محدوده‌‌ی مجاز باقی ماند. نتایج مقدماتی نشان می‌دهد که ارتز فعال زانو با امکان تنظیم الگوی حرکتی می‌تواند به‌عنوان یک راهکار میانی و بین ارتزهای سنتی و اسکلت‌های بیرونی کامل اندام تحتانی مطرح شود.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Design, Control, and Experimental Evaluation of a Lightweight Active Knee–Ankle–Foot Orthosis with Adjustable Knee Motion for Mobility Assistance After Spinal Cord Injury

نویسندگان English

Sahand Hosseinpour Malakouti 1
Sadjaad Ozgoli 2
1 Electrical and computer engineering, tarbiat modares university, tehran, iran
2 Tarbiat Modares university
چکیده English

For individuals with spinal cord injury (SCI) who walk with conventional knee–ankle–foot orthoses (KAFOs), locked knees and compensatory trunk and upper-limb motions can limit gait efficiency. This study presents a lightweight active KAFO that provides powered knee assistance while still being used like a conventional KAFO. The device integrates a backdrivable knee actuator within a two-level control architecture: a high-level controller, comprising a finite state machine and a parametric trajectory generator that computes the knee reference from user-selected step height and speed, and a low-level position-based impedance controller tracks this trajectory. Step height and speed can be adjusted in real time via an on-board touchscreen interface, and a ramp-based timing strategy allows smooth changes in gait cycle duration over roughly a two-fold range. A pilot case study was conducted on a single adult with chronic incomplete SCI who walks with KAFOs and a walker. Two configurations were compared: his usual conventional KAFO set-up and one with the proposed active KAFO. Clinical outcome measures included the 10m walking test (10MWT), the 6 min walking test (6MWT) and end-of-test heart rate. With the active KAFO, the participant achieved a higher 10MWT walking speed than with his conventional KAFOs, whereas no clear difference was observed in 6MWT distance and heart rate responses remained in a similar range. These preliminary results suggest that an active KAFO with an adjustable knee trajectory and on-board tuning of gait parameters may offer a feasible intermediate option between conventional KAFOs and full lower-limb exoskeletons.

کلیدواژه‌ها English

Spinal cord injury
Powered knee exoskeleton
knee–ankle–foot orthosis
Rehabilitation robotics
Clinical case study

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 08 بهمن 1404