طراحي و بهينه سازي يك ربات كمكي پوشيدني غير فعال زانو بر اساس يك مكانيزم شش‌ميله‌اي

Design and optimization of a passive assistive wearable robot for knee joint based on a six-bar mechanism

در سال هاي‌ اخير بيماريهاي مرتبط با مفصل زانو مخصوصا در سالمندان گسترده شده است. از انجا كه در حين انجام فعاليت هاي روزانه مانند راه رفتن و دويدن وزن بدن بر روي زانو انتقال داده مي‌شود، احتمال آسيب ديدن اين عضو بيشتر مي‌باشد. اين موضوع براي افراد سالمند با توجه به ضعف عضلاني از اهميت بيشتري برخوردار است به طوري كه بيشتر افراد سالمند از بيمارهاي مرتبط با زانو رنج مي‌برند. يكي از راه‌هاي كمك به اين افراد جهت بازيابي توانايي مفصل زانو خود، استفاده از وسائل كمكي در كنار زانو به عنوان يك وسئله پوشيدني مي‌باشد. به منظور افزايش توان مفصل زانو در افراد آسيب ديده، در اين مقاله ربات پوشيدني غير‌فعال طراحي گرديده است. اساس اين ربات استفاده از المان‌هاي انعطاف پذير جهت افزايش توان در بخشي از حركت در مفصل زانو مي‌باشد. اين ربات با بهره‌گيري از يك مكانيزم شش ميله‌اي استفنسون II توسعه داده شده است. استفاده از اين مكانيزم در ربات سبب مي‌گردد كه هم حركتي مشابه مفصل زانو يعني دوران و انتقال همزمان ايجاد گردد و هم امكان افزودن المان‌هاي انعطاف‌پذير را جهت افزايش قابليت ربات پوشيدني فراهم گردد. با انجام تحليل هاي سينماتيكي و همچنين استخراج معادلات ديناميكي و اعتبار سنجي معادلات استخراج شده، عملكرد ربات پوشيدني طراحي شده مورد بررسي قرار گرفته است. مقايسه توان زانو براي حالتي كه ربات پوشيدني بر روي پا نصب شده است با يك انسان در طول راه رفتن نشان مي‌دهد كه زانو براي طي حركت بايد انرژي كمتري را مصرف نمايد.

In recent years, knee diseases have spread, especially in elderly people. Since performing daily activities such as walking and running the knee supports the weight of the body, it is more likely to be injured. This issue is more important for elderly people who have weak muscles and almost all elderly people suffer from knee pain. One way to help these people to move normally is to use a wearable device to aid the knee. In this article, a passive wearable robot is designed to improve the strength of the elderly who suffer from the knee pain. The robot uses the compliance elements to increase the power of the knee joint in parts of a cycle. This robot is developed based on a Stephenson II six-bar mechanism. Using this mechanism has the advantage of producing a motion similar to a knee. In other words, this mechanism produces the linear and rotational motions simultaneously. Additionally, more compliance elements can be added to improve the performance of the wearable robot. The optimal dimensions of the robot will be through the kinematics analysis; also, the performance of the robot will be considered based on the derivation of the dynamics equations and the numerical validations of these equations. The performance of the robot mounted on the leg is compared with the human. Obtained results show that less power is required when a wearable robot is used. This proves the merits of the designed robot to be used for the elderly.