33386

طراحي و تحليل ربات توانبخشي نيمه‌فعال متحرك براي بيماران ضايعه نخاعي

كارشناسي ارشد

مهندسي پزشكي - بيومكانيك

1401

1403/12/22

دكتر برهان بيگ‌زاده

فاقد استاد مشاور

مهندسي مكانيك

اين پژوهش با هدف طراحي و توسعه‌ي يك استند توانبخشي نيمه‌فعال و متحرك براي افراد داراي آسيب نخاعي انجام شد. در طراحي اين دستگاه، تلاش شد تا رفع خلاءهاي موجود در ابزارهاي توانبخشي مشابه مانند افزايش استقلال حركتي كاربر، تسهيل جابه‌جايي و امكان استفاده‌ي فردي بدون نياز به كمك ديگران به‌عنوان اولويت‌هاي اصلي در نظر قرارگيرند. به‌منظور دستيابي به اين اهداف، روش‌هاي مختلفي در بخش‌هاي سخت‌افزار و نرم‌افزار به كار گرفته شد. در بخش سخت‌افزاري، از ابزارهاي الكترونيكي مقرون‌به‌صرفه و قابل‌اعتماد براي كنترل حركت ابزار استفاده شد. براي تحقق اين هدف، ابتدا ماهيت عملكرد كدها براي تغيير سيستم كنترل حركتي به حالت مطلوب و موردنظر اصلاح گرديد. پس از آن، با انجام اصلاحات نرم‌افزاري و بهينه‌سازي كدنويسي، دقت كنترل حركت بهبود يافت. همچنين، زيرساخت لازم براي ارتقاي سيستم به فناوري‌هاي هوشمند در نسخه‌هاي بعدي فراهم شد. براي شروع فرايند طراحي، بازديدهايي از مراكز صنعتي و توليدي و همچنين كلينيك‌هاي توانبخشي صورت گرفت تا نيازهاي واقعي كاربران و الزامات ساخت در فضاي عملي به‌درستي شناسايي شود. طراحي مكانيكي استند طي سه مرحله انجام شد كه شامل توسعه‌ي سه نمونه‌ي اوليه بود. در نمونه‌ي اول، ساختار كلي بر اساس نمونه دستگاه‌هاي توانبخشي برتر موجود در بازار طراحي شد. بااين‌حال، به دليل عدم رفع كامل مشكلات و محدوديت‌هاي عملكردي و نيز، ارائه پيشنهادهاي ديگر، تغييرات اساسي در نمونه‌ي دوم اعمال گرديد. در نهايت، نمونه‌ي سوم با تأكيد بر كاهش وزن، افزايش قابليت حمل، ساده‌سازي فرآيند ساخت و بهبود عملكرد حركتي طراحي و به‌عنوان نسخه‌اي آماده براي توليد اولين نمونه‌ي فيزيكي معرفي شد. به‌منظور بررسي و ارزيابي عملكرد مكانيزم طراحي شده تحت شرايط مختلف بارگذاري، روش‌هاي تحليلي و شبيه‌سازي عددي مانند تحليل‌هاي المان‌محدود و تحليل‌هاي استاتيكي و ديناميكي، در نرم‌افزارهاي تخصصي انجام شد. نتايج نشان داد كه ابزار طراحي شده پيشنهادي از نظر ايمني، استحكام و پايداري مكانيكي عملكرد مطلوبي دارد. علاوه بر اين، براي كاهش هزينه‌هاي توليد، تمام تلاش ممكن صورت گرفت تا از مواد اوليه‌ي آماده و موجود در بازار استفاده شود تا روند ساخت نمونه‌ي اوليه ساده‌تر و اقتصادي‌تر باشد. نتايج اين پژوهش نشان داد كه استند طراحي‌شده توانسته است نيازهاي عملكردي مدنظر را برآورده كند و مي‌تواند به‌عنوان پايه‌اي براي توسعه‌ي نمونه‌هاي پيشرفته‌تر و توليد در مقياس صنعتي مورد استفاده قرار گيرد.

1404/02/27

Design and analysis of a mobile and semi-active rehabilitation robot for spinal cord injury rehabilitation

3/12/2026 12:00:00 AM

This study was conducted with a focus to design and develop a semi-active, portable stand to be utilized in rehabilitating patients with spinal injuries. The primary focus in such a design was to address the limitations of such rehab devices by providing increased user mobility independence, easy transportability, and independent operation by a single user without aid. To these ends, various different techniques were utilized in both hardware and software. In hardware, low-cost and reliable electronic components were used to control the motion of the device. To achieve that, the design structure of the code for the control system was changed initially to transform the motion control from what it was to a desired user-centered regime of manual control. Subsequently, software optimizations and fine-tuning of code were implemented to enhance motion control precision, besides making space for future upgrades to intelligent technologies. Field visits to production facilities and centers for rehabilitation were conducted at the onset of the design process to clearly identify real user requirements and practical manufacturing needs. The mechanical design was achieved in three stages with three consecutive prototypes. The first prototype was designed from existing top-of-the-line rehabilitation devices in the market. Nevertheless, due to unresolved functional limitations and additional feedback, extensive modifications were made in the second version. Lastly, the third prototype was designed with focus given to reducing weight, increasing mobility, reducing manufacturing complexity, and increasing movement performance and was finalized as a production version of the first prototype. To analyze and assess the performance of the designed mechanism under various loading conditions, numerical simulations and analyses were conducted using specialized software, i.e., finite element analysis (FEA) and static and dynamic analyses. The results of analysis confirmed that the proposed design offers acceptable mechanical performance in terms of safety, structural integrity, and stability. Moreover, to minimize production expenditure, every possible effort was made to utilize locally sourced materials from the local market, thereby making prototype manufacturing easy and inexpensive. The findings from this research confirm that the designed stand efficiently meets desired functional requirements and can serve as a basis for further developing more complex prototypes and large-scale industrial production in industry.

مهندسي پزشكي , بيومكانيك توانبخشي , ضايعه نخاعي , بيومكاترونيك , رباتيك توانبخشي , مكانيزم‌هاي توانبخشي , استقلال حركتي , توانبخشي قابل حمل , طراحي فناوري‌هاي كمكي

Biomedical Engineering , Rehabilitation Biomechanics , Spinal Cord Injury (SCI) , Biomechatronics , Rehabilitation Robotics , Rehabilitation Mechanisms , Mobility Independence , Portable Rehabilitation Stand , Assistive Technology Design

Dariush Shahrouzian

Dr.Borhan Beigzadeh