Skip to main content
SUPERVISOR
Mostafa Ghayour,Abbas Fattah
مصطفی غیور (استاد مشاور) عباس فتاح (استاد راهنما)
 
STUDENT
Khatereh Hajizadeh
خاطره حاجی زاده

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1385

TITLE

Gravity-Balancing Design of Human Leg using an External Orthosis
In this work, using an external orthosis, we present a new design for gravity balancing of the human leg in order to decrease the required joints toques during walking. Gravity balancing is often used in industrial machines to decrease the required actuator efforts during motion. In this proposed design, passive gravity balancing orthosis is connected to the human leg on the shank and its other end is fixed to a walking frame. The human leg is assumed to have three DOF for the hip medial and lateral rotation, hip abduction and adduction, hip flexion/extension and one DOF for the flexion/extension at the knee. The external orthosis connected at the shank, together with the human leg, creates a kinematic closed loop. The kinematic loop constraint can be satisfied during walking by choosing appropriate link lengths for the external orthosis. Gravity balancing of the human leg and the external orthosis is achieved by making the potential energy of the combined system, human and the machine, to be configuration invariant. These conditions are satisfied by choosing appropriate inertia parameters of the segments of the orthosis and addition of proper springs. Regarding the possible motions of the human leg (two, three and four degree-of-freedom motion of the human leg in the sagittal, coronal and transverse planes), feasible designs are then presented. The joint torques at the hip and knee joints are derived using inverse dynamics of closed loop system (human leg and external orthosis) or open loop system (human leg without orthosis). The joint torque trajectories of the human leg during walking are computed and compared for the motions with different DOFs for two cases of human leg and the external orthosis and human leg without external orthosis. The results show that the joint torques in all designs with the external orthosis are less than the joint torques of the human leg without the external orthosis at slow walking. The main advantages of the design of human leg with external orthosis as compared to the existing exoskeletons are as follows: (i) This design has a better alignment between the human leg and the orthosis. (ii) We can also get the full extension of the knee with this design. (iii) It is required less hardware such as force-torque sensors between human leg and orthosis to compute the joint torques. However, there are also some drawbacks for this design such as: (a) It increases the inertia of the system, which may be a drawback during fast walking. (b) Modeling of the human leg with the external orthosis, which makes a kinematic closed loop, is more complicated than the modeling of the existing exoskeletons, namely, open loop system. Key Words Rehabilitation Robots, Passive external orthosis, Human joint torques, Gravity balancing.
هدف اصلی این پایان نامه، بالانس گرانشی پای انسان به کمک یک ارتز خارجی و به منظور کاهش توان ماهیچه ای لازم (گشتاور مورد نیاز در مفاصل) برای حرکت شخص کاربر می باشد. بالانس گرانشی غالباً برای کاهش توان مورد نیاز عملگرهای مولد حرکت (گشتاور موتورها) در ماشین های صنعتی مورد استفاده قرار می گرفته است. در طرح ارائه شده در این پایان نامه، ساختاری مکانیکی موسوم به ارتز خارجی از یک سو توسط یک مفصل مناسب به ساق پای شخص کاربر متصل می گردد و از طرف دیگر به یک چهارچوب حرکتی متصل می شود. بدین ترتیب پا به همراه ارتز خارجی متصل به آن یک حلقه بسته سینماتیکی تشکیل می دهد. طول مناسب برای عضوهای ارتز خارجی به گونه ای انتخاب می شود که این حلقه همواره در طول زمان حرکت بسته باقی بماند. بالانس گرانشی پای انسان در عمل بدین معنی است که انرژی پتانسیل سیستم متشکل از پا و ارتز خارجی، در تمام طول حرکت، مستقل از پیکربندی عضوهای پا (تغییر در زوایای مفاصل پا در حین حرکت) باشد. چنین حالتی با انتخاب مناسب پارامترهای اینرسی اعضای ارتز خارجی (جرم و موقعیت مرکز جرم عضوهای) و نیز افزودن فنر با انتخاب نقطه اثر مناسب آن و ضریب سختی مناسب به سیستم میسر خواهد شد. با توجه به حالات ممکن برای حرکت پا در صفحات حرکتی مختلف (درجات آزادی مختلف در حرکت پا)، طرح های مناسبی برای بالانس گرانشی پا و پشتیبانی حرکت در هر یک از حالات حرکتی ارائه شده است. به منظور محاسبه گشتاورهای مورد نیاز برای حرکت در مفاصل پا، دینامیک مجموعه پا و ارتز خارجی تحلیل می شود و در نهایت، نتایج به دست آمده به منظور بررسی تأثیر بالانس گرانشی پا به وسیله ارتز خارجی طراحی شده در حالات مختلف حرکت، با یکدیگر و نیز با نتایج مربوط به حرکت پا بدون اتصال ارتز خارجی به آن مقایسه می شوند و چگونگی تسهیل حرکت درهنگام اتصال ارتز خارجی به پا مورد مطالعه قرار می گیرد. به طور کلی نتایج بیان گر آن هستند که بالانس گرانشی در سرعت های حرکت نسبتاً کم باعث کاهش گشتاورهای مفصلی شده و حرکت فرد را تسهیل می کند. با زیاد شدن سرعت حرکت و افزایش تأثیر اینرسی سیستم از این مزیت کاسته می شود. لغات کلیدی ربات های توانبخش، ارتز خارجی غیرفعال، گشتاور مفاصل پای انسان، بالانس گرانشی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی