طراحي، ساخت و كنترل دستگاه توانبخشي ايزوكينتيك پا با عملگر سرونيوماتيكي

Design, Control and Experimental test of Pneumatic Leg Rehabilitation Device for Isokinetic Exercise

در اين مقاله طراحي و ساخت نمونه‌ي آزمايشگاهي از دستگاه توانبخشي به‌منظور انجام تمرينات ايزوكينتيك با استفاده از عملگر نيوماتيك ارائه شده است. در انجام تمرين ايزوكينتيك حركت فعال عضو با سرعت ثابت بايستي تامين گردد. براي تامين اين حركات عملگر مورد استفاده بايستي يك مقاومت تطبيق‌يافته در برابر تلاش بيمار را تامين كند. بنابراين چالش اصلي، طراحي كنترل‌كننده‌ي سرعت براي عملگر در حضور اغتشاش اعمالي توسط بيمار است. اين امر با استفاده از عملگرهاي الكتريكي در سطوح تجاري تامين شده است. اما در كنار هزينه‌ي بالاي اين ابزارهاي تجاري، نرمي پايين عملگرهاي الكتريكي مهمترين مشكل استفاده از آنها در توانبخشي است. استفاده از عملگرهاي نيوماتيكي قيمت نهايي را كاهش داده و سيستم را از مزاياي عملگرهاي نيوماتيك نظير نرمي بالا و نسبت توان به وزن بالا بهره‌مند مي‌سازد. اين امر مستلزم فائق آمدن بر مشكل كنترل سرعت عملگر نيوماتيك در حضور چالش‌هاي مطرح شده براي انجام تمرينات ايزوكينتيك است. در اين تحقيق مدلسازي سيستم و طراح كنترل‌كننده‌ي سرعت براي حالت انقباض عضله‌ي پا مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج آزمايشگاهي امكان استفاده از عملگر سرونيوماتيكي براي تامين حركات ايزوكينتيك در توانخبشي پا، را به‌خوبي نشان مي‌دهد.

In this paper design and manufacture of an experimental setup of rehabilitation device for isokinetic exercises, using pneumatic actuator, is presented. In isokinetic exercises, limb’s movement must be provided at a constant speed. For this type of movements, the actuator should provide an accommodating resistance against patient effort. Therefor the main challenge is speed controller design for actuator in the presence of disturbances logged by patient. This goal is achieved by using electrical actuators at the commercial levels. But beside the high cost of this instruments, low softness of electrical actuators is the main problem of using them in rehabilitation devices. Using pneumatic actuators decrease the final price and benefits the system by pneumatic advantages such softness and high power to weight ratio. This requires overcoming speed control problems in presence of the considered challenges. In this research modeling and speed control of pneumatic actuator has been studied for contraction and expansion mode of muscle. Experimental results take advantages of servo pneumatic actuator for providing isokinetic trainings in leg rehabilitation as well.