سجاد سبهانی (Sajjad Sabhani)

چکیده:

با افزایش حادثه‌ها و بیماری‌هایی که منجر به اختلال‌های حرکتی می‌شوند، نیاز به توسعه فناوری‌های نوین توان‌بخشی به منظور ارتقای سطح کیفی زندگی بیماران حرکتی بیشتر احساس می‌شود. اگر فردی نتواند یک الگوی حرکتی را به درستی انجام بدهد، به کمک تمرین‌های توان‌بخشی و اعمال کمک خارجی، الگوی حرکت را به مرور اصلاح می‌نماید. هدف این تحقیق، یپیشنهاد و شبیه‌سازی یک سیستم رباتیکی توان‌بخشی پایین‌تنه از نوع مجری نهایی برای اصلاح الگو‌ی راه ‌رفتن، همانند قدم زدن روی سطح صاف است. این پژوهش از دو بخش، تشکیل شده است: شبیه‌سازی ربات توان‌بخشی و تعامل آن با کاربر، و شبیه‌سازی راه رفتن کاربر توانا و ناتوان بر ربات توان‌بخشی. سازوکار حرکتی ربات توان‌بخشی پیشنهادی، شامل دو پدال سه درجه آزادی است که در صفحه میانی حرکت می‌کنند. کاربر، با کمک یک سازوکار حمایت وزن، همانند طناب، بر روی این پدال‌ها قرار می‌گیرد و کف پا و پدال‌‌ها با یکدیگر حرکت می‌کنند. ربات توان‌بخشی پیشنهادی، بر اساس قانون کنترل تعاملی پیشنهادی، به صورت پیوسته حرکت پای کاربر بر روی پدال را پایش می‌کند و در صورت نیاز به حمایت از حرکت، از طریق پدال‌ها، نیروی خارجی لازم را به پای کاربر وارد می‌کند تا حرکت به صورت درست انجام شود. برای شبیه‌سازی حرکت کاربر، از یک ساختار مکانیکی سه لینک و سه مفصل برای کینماتیک مستقیم لگن به پدال‌ها استفاده شده است. همچنین، برای شبیه‌سازی راه رفتن فرد و تولید مسیر مرجع حرکت پدال‌ها برای الگوی راه رفتن از داده‌های بیومکانیکی راه رفتن افراد سالم استفاده شده است. قانون کنترل تعاملی، از یک کانال مجازی اطراف مسیر مرجع با شعاع قابل تنظیم استفاده می‌کند. اگر حرکت پای بیمار داخل کانال و به قدر کافی نزدیک به مسیر مرجع باشد، پدال‌ها حرکت پای بیمار را تعقیب می‌کنند. با افزایش انحراف حرکت پای فرد از مسیر مرجع، ربات توان‌بخشی از طریق پدال‌ها و به اندازه نیاز، از حرکت پای بیمار در جهت نزدیک شدن به مسیر بهینه حمایت می‌کند. اگر شعاع انحراف بیشتر از دوبرابر شعاع کانال مجازی باشد، پدال‌ها حرکت پنجه پای بیمار را کنترل می‌کنند و پای بیمار را به مسیر مرجع هدایت می‌کنند. در ادامه، عملکرد سیستم پیشنهادی در حالت‌های انسان توانا، نیمه توانا و ناتوان مورد ارزیابی قرار گرفته و نتایج تحلیل شده‌اند. نتایج نشان‌دهنده کارایی و دقت سیستم در رویکرد کنترلی کمک در صورت نیاز است.

Abstract:

With the increasing prevalence of incidents and diseases leading to motor impairments, there is a growing need for advanced rehabilitation technologies to improve the quality of life for patients with mobility issues. If an individual is unable to perform a gait correctly, rehabilitation exercises and external assistance can gradually help correct the movement. This research proposes and simulates a lower-limb end-effector type robotic rehabilitation system designed to correct walking gait, such as walking on a flat surface. This study consists of two main parts: simulating the rehabilitation robot and its interaction with the user, and simulating the walking gait of both able-bodied and impaired users on the rehabilitation robot. The proposed robotic system features two pedals with three degrees of freedom that move in a sagittal plane. The user, supported by a weight-support mechanism, such as a harness, stands on these pedals, allowing coordinated movement between the feet and pedals. The robot continuously monitors the user's foot movement on the pedals using a proposed interactive control law. If additional support is needed, the robot applies external forces through the pedals to ensure correct movement execution. The user’s movement is simulated using a three-link, three-joint mechanical model for direct kinematics from the hip to the pedals. Additionally, the walking gait is obtained from biomechanical data of healthy individuals to generate the reference trajectory for pedal movement. The interactive control law utilizes a virtual channel around the reference path with an adjustable radius. If the user’s foot movement remains within this channel and close enough to the reference trajectory, the pedals follow the foot’s movement. As deviations from the reference path increase, the robot provides necessary support to guide the foot towards the optimal path. If the deviation exceeds twice the virtual channel’s radius, the pedals control the foot’s movement directly, guiding it back to the reference path. The proposed system's performance was evaluated under different conditions of able-bodied, semi-able, and disabled users and the results demonstrate the system's effectiveness and accuracy in providing assistance as needed.