مدل‌سازي، طراحي و ساخت برون‌پوش مبتني بر تاندون جهت توان‌بخشي انگشتان دست

Modeling, Design, and Manufacture of Tendon-based Exoskeleton for Finger Rehabilitation

با توجه به آمار بالاي مبتلايان به بيماري‌هاي عروق مغزي و سكته‌ي مغزي كه منجر به فلج شدن اندام‌هاي يك سمت بدن از جمله دست شده و هم‌چنين محدوديت‌هاي روش‌هاي سنتي توان‌بخشي، ساخت دستگاه‌هايي براي كمك به اين افراد ضروري مي‌باشد. در اين پژوهش در ابتدا با توجه به چالش‌هاي موجود در طراحي يك برون‌پوش دست، طراحي اوليه‌ي يك مكانيسم براي استفاده به صورت حركت غيرفعال پيوسته براي توان‌بخشي انگشتان دست انجام شده است. اين مكانيسم مبتني بر تاندون بوده و هر دو حركت باز و بسته شدن انگشتان را پوشش مي‌دهد. به اين منظور در برون‌پوش از دو عمل‌گر فعال و غيرفعال به ترتيب جهت بستن و باز كردن انگشتان دست استفاده شده است. ويژگي بارز اين طراحي، سبك و كم‌حجم بودن آن، قابليت تنظيم براي دست‌هاي متفاوت و سازگاري و راحتي آن براي بيمار مي‌باشد. هم‌چنين روابط سينماتيكي و ديناميكي برون‌پوش براي انگشتان دست به غير از انگشت شست به روش لاگرانژ مدل‌سازي شده است. حركت برون‌پوش در تعامل با انگشت به كمك نرم‌افزار سيم‌مكانيك متلب شبيه‌سازي شده است. در نهايت با استفاده از نتايج شبيه‌سازي و مدل‌سازي، طراحي نهايي با در نظر گرفتن نيروي 40 نيوتن در طول تاندون انجام شده و برون‌پوش براي انگشت اشاره ساخته شده است. هم‌چنين نتايج حاصل از مدل‌سازي تحليلي و شبيه‌سازي مورد مقايسه قرار گرفته و ميزان خطاي مدل‌سازي براي تغيير زواياي مفاصل به دست آمده است. اين مقدار در بيش‌ترين حالت براي مفصل اول و دوم انگشت برابر با 15% و براي مفصل سوم برابر با 20% محاسبه شده است.

Due to the high number of patients with cerebrovascular disease and stroke, which results in paralysis of organs on one side of the body, including the hand, as well as limitations in traditional rehabilitation methods, it is necessary to build devices to help these people. In this study, initially, given the challenges involved in designing an exoskeleton, the initial design was a mechanism for using it as a continuous passive motion to rehabilitate the fingers. This mechanism is tendon-based and covers both the flexion and extension of the fingers. For this purpose, two active and passive actuators have been used in the exoskeleton, respectively, to flex and extend the fingers. The distinctive feature of this design is its lightness, low volume, adjustability for different hands, compatibility, and comfort for the patient. Also, the kinematics and dynamics relationships modeled on the Lagrange method. The exoskeleton movement simulated in interaction with the finger with MATLAB sim-mechanics software. Finally, using simulation and modeling results, the final design was performed by considering the force of 40 N along the tendon, the exoskeleton made for the index finger. Also, the results of analytical modeling and simulation compared; the error rate of modeling obtained. In the worst case, this value was 15% for the first and second finger joints and 20% for the third joint.