مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

رویکرد سیستماتیک در طراحی، بهینه سازی و ساخت یک ربات پوشیدنی برای توانبخشی پس از عمل جراحی تعویض کامل مفصل زانو

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 Alfurat Al-Awsat Technical University
2 دانشگاه صنعتی شریف- پردیس بین الملل کیش
10.48311/mme.2026.123268.83099
چکیده
لازمه بازیابی دامنه حرکتی، تقویت قدرت عضلانی و پیشگیری از خشکی و فیبروز مفصلی انجام توانبخشی منسجم پس از تعویض کامل مفصل زانو می‌باشد. روش‌های سنتی فیزیوتراپی پرهزینه و زمان‌بر بوده و استفاده از روبات‌های پوشیدنی چندمفصله بدلیل سنگینی و زمان‌بر بودن تنظیمات اولیه، برای توانبخشی زانو مناسب نیستند. هدف از این پژوهش، ارائه چارچوبی سیستماتیک برای بهینه‌سازی طراحی یک روبات یک‌درجه‌آزادی برای توانبخشی زانو است. ویژگیهای کلیدی برای طراحی، با بررسی جامع ادبیات روبات‌های توانبخشی اندام تحتانی در صفحه ساجیتال استخراج شد. بهینه‌سازی اجزای محدود مدل مکانیکی روبات و تحلیل حساسیت شاخص‌های سوبول نشان داد که ضخامت و سطح مقطع بازوی روبات، به ترتیب مهم‌ترین متغیرهای موثر بر تنش بیشینه و تغییرشکل سازه‌ای می‌باشند. با بهینه‌سازی چندمتغیره تحت بارگذاری دینامیکی، تنش ون‌مایسز با کاهش ۱۳.۲٪ به مقدار ۱۴۳.۹ مگاپاسکال ثبت شد که ضریب اطمینان در برابر بارگذاری خستگی ۱.۶۷ و عمر بینهایت را فراهم می‌نماید. همچنین بیشینه تغییرشکل سازه‌ای با ۲۷٪ کاهش به ۰.۶۲ میلی‌متر بدست آمد. همچنین با کاهش ۳۰٪ نیروی برهم‌کنش در محل اتصال روبات با اندام به ۴۴.۳ نیوتن، خطر آسیب به بافت نرم نیز کاهش می‌یابد. علاوه براین، پس از بهینه‌سازی، جرم کل به ۲.۸ کیلوگرم کاهش و با حابجایی مرکز جرم روبات، ممان اینرسی جرمی و گشتاور گرانشی غیرفعال نیز کاهش یافتند. نمونه بهینه‌سازی‌شده می‌تواند بستر روباتیکی کارآمدی را برای ارزیابی‌های بالینی آتی و بررسی اثربخشی برنامه‌های تدریجی بهبود دامنه حرکتی زانو پس از جراحی تعویض کامل مفصل زانو فراهم آورد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

A Systematic Approach to the Design, Optimization, and Fabrication of a Robotic Knee Exoskeleton for Post-Total Knee Arthroplasty Rehabilitation

نویسندگان English

Raed Abdulameer Mahmood Alalwani 1
علی سلک غفاری 2
1 Alfurat Al-Awsat Technical University
2 sharif university of technology international campus
چکیده English

Rehabilitation post-total knee arthroplasty (TKA) demands intensive physical therapy to restore joint functionality, and prevent joint stiffness. Conventional manual physiotherapy is labor intensive and costly, while multi joint whole leg exoskeletons introduce excessive complexity, high mass, and protracted fitting times ill suited for isolated joint recovery. This paper presents a systematic framework encompassing the design, finite element analysis driven optimization, and fabrication of a single degree of freedom robotic knee exoskeleton specifically intended for post TKA rehabilitation. Key design features, including sagittal plane flexion/extension, joint alignment compensation, low distal inertia, and state based impedance control, were distilled from a comprehensive synthesis of lower limb rehabilitation robotics literature. Coupled finite element modeling and Sobol-based global sensitivity analysis revealed that the link thickness and cross-sectional area emerged as the main factor controlling peak stress and deformation. The multi objective optimization strategy successfully decreased the peak von Mises stress under dynamic loading by 13.2%, attaining 143.9 MPa. In addition, structural deflection was reduced by 27% to 0.62 mm, and yielding the fatigue safety factor of 1.67 with an infinite operational life cycle. Furthermore, cuff limb interaction forces were reduced by 30% to 44.3 N, effectively mitigating the risk of soft tissue trauma. The final prototype achieved a total mass of 2.8 kg with a more proximal center of mass, substantially reducing rotational inertia and passive gravitational torque. The proposed prototype provides an optimized, lightweight robotic framework establishing the structural and mechatronic foundation required for subsequent clinical evaluation of progressive post-TKA knee mobilization.

کلیدواژه‌ها English

Total Knee Arthroplasty
Robotic Exoskeleton
Design
Optimization
Rehabilitation

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 25 مهر 1405