28518

طراحي يك مكانيزم غيرفعال جديد براي پاي مصنوعي با رويكرد مصرف بهينه انرژي

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مكانيك- بيومكانيك

1399

1402/4/19

برهان بيگ زاده

محمدرضا حق جو

پرديس دانشگاهي - دانشكده مهندسي مكانيك

حوزه اندام مصنوعي انقلابي در زندگي افرادي كه اندام هاي از دست رفته دارند ايجاد كرده است. اندام هاي مصنوعي به انها يك فرصت ارزشمند و يك گزينه عالي براي به دست اوردن عملكرد عادي و ضروري در زندگي مي دهد. اين اندامهاي مصنوعي، نقش مهمي در زندگي افراد قطع عضو براي بازگرداندن توانايي هاي از دست رفته و بازگرداندن حس زندگي به آنها دارند. اگر چه پروتز هنوز به خوبي عملكرد كامل اندام هاي طبيعي نرسيده است، قابليت هايي كه انها ارائه مي دهند در افزايش زندگي افرادي كه اندامي از دست داده اند، بسيار مهم است. در حال حاضر، افراد معلول، به ويژه قطع عضو اندام تحتاني، با چالش هايي در دستيابي به پروتزهايي كه قابليت حركت طبيعي و ذخيره انرژي مانند اندام هاي بيولوژيكي را دارند، روبرو هستند. هزينه بالاي اندامهاي مصنوعي، اهميت اين مسئله را بيشتر مي كند. در نتيجه، تحقيقات علمي در حال انجام است و طراحي پروتز اندام تحتاني براي رسيدگي به اين مسايل و پاسخگويي به نيازهاي افراد قطع عضو در سراسر جهان تمركز دارد. ما در اين رساله، يك تحقيق در مورد مفهوم اساسي يك پاي مصنوعي كامل انجام داديم. در واقع، يك طراحي مكانيسم جديد و جامع براي پاي مصنوعي ايجاد و شبيه سازي كرديم كه شامل زانو و پاي مكانيكي غيرفعال است. زانو، كه به عنوان زانوي 3R36 شناخته مي شود و تجاري نيز شده است، صرفا با انرژي غيرفعال عمل مي كند و شامل اجزاي مكانيكي و حركاتي است كه حركت آن را شبيه به زانوي انسان مي كند. همچنين در مكانيزم ارائه شده، مكانيزم كف پاي EASR استفاده شده است كه قابليت ذخيره و بازگشت انرژي را دارد. براي اطمينان از حركت مداوم، يك كلاچ هوشمند براي ذخيره انرژي در چرخه راه رفتن و ازاد كردن ان در قسمت ديگري از اين چرخه استفاده شده است. علاوه بر اين، ميله هاي ارتباطي كه جلوي پا را به عقب زانو متصل مي كنند، يك مكانيسم اتصال شش ميله اي ايجاد مي كنند كه الگوهاي راه رفتن و چمباتمه زدن طبيعي انسان را تقليد مي كند و در عين حال انرژي راه رفتن را حفظ مي كند. نتايج ما نشان مي دهد كه مكانيسم صرفه جويي در انرژي (مكانيسم كلاچ فنردار و پولي ضامن دار) به خوبي انرژي الاستيك را در طول بخش خاصي از چرخه راه رفتن (22٪ از چرخه راه رفتن) ذخيره مي كند و حداكثر ذخيره انرژي در حدود نقطه مياني چرخه راه رفتن رخ مي دهد. اين انرژي ذخيره شده سپس در طول مرحله فشار پا، ازاد مي شود كه معمولا در انتهاي چرخه گام اتفاق مي افتد. حركت توليد شده توسط پاي مصنوعي پيشنهادي بسيار شبيه به الگوي راه رفتن طبيعي است. همچنين، نتايج تاييد مي كند كه پروتز ماژولار پايين تنه، توسط يك مكانيسم اتصال شش ميله اي، با دقت خوبي الگوهاي حركت مشاهده شده در پاهاي سالم انسان در طول راه رفتن و چمباتمه زدن را دنبال مي كند. به طور قابل توجهي، پروتز اجازه مي دهد تا براي زاويه فلكشن زانو بيش از 140 درجه در طول چمباتمه زدن، عملكرد مناسبي داشته باشد. علاوه بر اين، طراحي پروتز جديد شامل مكانيسم هاي ذخيره انرژي با هدف كاهش مصرف انرژي در هنگام راه رفتن براي افراد قطع عضو است كه شبيه سازيها عملكرد خوب آن را نشان مي دهد. علاوه بر اين، نتايج مقايسه براي تعيين مصرف انرژي مطلوب پاي مصنوعي، نشان مي دهد كه طراحي اول (مكانيسم صرفه جويي در انرژي) با كيفيت بهتر از طراحي دوم (مكانيسم اتصال شش ميله اي) در ذخيره انرژي و بازگشت آن به چرخه گامبرداري عمل مي كند. همچنين، با اضافه كردن مكانيزم كلاچ همراه با فنر، امكان ذخيره انرژي و بازگرداندن انرژي ذخيره شده به چرخه گامبرداري بهمراه مكانيزم شش ميله اي، بهتر انجام مي شود. مكانيسم جديد، الگوهاي صرفه جويي در انرژي، پياده روي و چمباتمه زدن نزديك به الگوهاي طبيعي را فراهم مي كند.

1402/04/26

Passive-based, Optimal Energy-Consuming Mechanism for a Prosthetic Leg

7/9/2024 12:00:00 AM

The field of prosthetic limbs has revolutionized the lives of individuals who have missing limbs. Prosthetic limbs grant them a valuable opportunity and a perfect option to regain normalcy and essential functionality. These remarkable devices play a crucial role in the lives of amputees to reclaim lost abilities and restore a sense of life. Although prosthetics have not yet reached the level of replicating the full functionality of natural limbs, the capabilities they offer remain crucial in enhancing the lives of individuals with limb loss. Currently, individuals with lower limb loss, especially transfemoral amputees, face challenges in acquiring prosthetics that replicate the natural movement and energy storage such as biological limbs. The high cost of certain prosthetic devices further compounds the issue. As a result, scientific researches are ongoing and the industry focuses on the design of lower limb prosthetics to address these concerns and meet the needs of amputees worldwide. We achieved an investigation into the fundamental concept of a whole prosthetic leg. We developed and simulated a novel and comprehensive mechanism design for the prosthetic leg, which incorporates a mechanical passive knee and foot. The knee, known as the 3R36 knee, operates purely on passive energy and comprises mechanical components and movements. The foot component is an energy-storing and return foot (EASR). To ensure continuous motion, a smart clutch is integrated to store energy during the stance phase of the walking gait cycle and release it later. Additionally, the linkage bars connecting the front of the foot to the rear of the knee create a six-bar linkage mechanism that closely mimics normal walking and squatting patterns while conserving walking energy. Our results illustrate that the energy-saving mechanism (pylon spring & ratchet clutch mechanism) effectively stores elastic energy during a specific portion of the gait cycle (22% of the gait cycle), with maximum energy storage occurring at around the midpoint of the walking cycle. This stored energy is then released during the push-off phase, which typically takes place later in the stride cycle. The motion generated by the proposed prosthetic leg closely resembles the natural walking pattern observed in individuals without amputations. Also, the results affirm that the modular transfemoral prosthesis, by a six-bar linking mechanism, has developed and accurately replicates the motion patterns observed in healthy human legs during walking and squatting. Notably, the prosthesis allows for a knee flexion angle exceeding 140° during squatting, ensuring a wide range of motion. Furthermore, the new prosthesis design incorporates energy-storing mechanisms aimed at reducing energy consumption during walking for amputees. Moreover, the comparison results, for determining the optimal energy-consuming of the prosthetic leg, show that the first design (Energy-saving mechanism) is better-quality than the second design (Six-bar Linkage mechanism) in the stored potential energy. Also, it is possible to get another novel mechanism when the ratchet clutch mechanism adds to the six-bar linkage mechanism. The novel mechanism will provide extra energy-saving, walking, and squatting patterns close to normal patterns.

قطع عضو بالاي زانو , پاي مصنوعي , ذخيره انرژي , ذخيره و بازيابي انرژي الاستيك , مكانيزمهاي غيرفعال , چمباتمه زدن , راه رفتن

Transfemoral amputation , prosthetic leg , energy saving , Elastic energy storage and return , Passive mechanisms , Squatting , walking

Amer Omran

Dr. Borhan Beigzade