شماره ركورد
34658
پديد آورنده
شكيب ميراوايايي
عنوان
بهينه سازي عملكرد مكانيكي پروتز زانو مصنوعي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي پزشكي-بيومكانيك
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/11/29
استاد راهنما
دكتر سياوش كاظميراد
استاد مشاور
ندارم
دانشكده
مهندسي مكانيك
چكيده
در سالهاي اخير، بازطراحي مكانيزمهاي زانوي مصنوعي با هدف نزديكسازي رفتار سينماتيكي به زانوي طبيعي مورد توجه فزايندهاي قرار گرفته است. با اين حال، بسياري از مكانيزمهاي چهارميلهاي موجود قادر به بازتوليد دقيق مسير مركز چرخش آني (ICR) نبوده و اين مسئله ميتواند بر پايداري فاز ايستايش و كيفيت حركت كاربر تأثيرگذار باشد.
در اين پژوهش، يك چارچوب محاسباتي براي طراحي و بهينهسازي مكانيزم چهارميلهاي زانوي مصنوعي بر پايهي انطباق هندسي مسير ICR ارائه شده است. مسيرهاي مرجع ICR از سه منبع معتبر استخراج شده و بهمنظور حفظ يكنواختي پارامتري و دقت هندسي، با استفاده از درونيابي و بازنمونهگيري مبتني بر طول قوس پيشپردازش شدند. محاسبهي مسير ICR مكانيزم بر اساس بازنويسي و بازتعريف روابط شناختهشدهي هندسي–سينماتيكي مكانيزمهاي چهارميلهاي انجام شده و مسير مركز چرخش آني بهصورت تحليلي در كل دامنهي حركت استخراج گرديد.
بهينهسازي پارامترهاي هندسي مكانيزم با استفاده از الگوريتم تكامل تفاضلي انجام شد. در اين فرآيند، يك جمعيت شامل 35 عضو و طي 100 نسل مورد پايش قرار گرفت و متغيرهاي بهينهسازي شامل طول لينكهاي مكانيزم و زاويهي ثابت فريم نسبت به محور مختصات افقي در نظر گرفته شدند. براي هر مسير مرجع، فرآيند بهينهسازي بهصورت مستقل و با دو تابع هدف مجزا شامل فاصلهي فرشت و ريشهي ميانگين مربعات خطا اجرا شد تا تأثير هر معيار بر رفتار نهايي مكانيزم بهطور جداگانه ارزيابي شود. همچنين قيود سينماتيكي لازم جهت تضمين عملكرد معتبر مكانيزم در طول بهينهسازي اعمال گرديد.
نتايج حاصل نشان ميدهد كه مكانيزمهاي بهينهشده توانايي بازتوليد مسير ICR مرجع با دقت مناسبي را دارند؛ بهطوريكه مقدار RMSE براي مسيرهاي مورد بررسي در بازهي تقريبي 1.5 تا 5.2 ميليمتر قرار گرفته است. اين مقادير در مقايسه با نتايج گزارششده در مطالعات پيشين، كه خطاهايي در حدود 2.95 تا 10.5 ميليمتر را نشان ميدهند، بيانگر بهبود قابلتوجه در انطباق هندسي مسير ICR است.
تحليل سينماتيكي مكانيزمهاي بهينهشده نشان ميدهد كه در ناحيهي فولاكستنشن، مسير مركز چرخش آني در موقعيتي خلفي نسبت به خط بار قرار ميگيرد كه اين امر به تأمين پايداري مؤثر در ابتداي فاز ايستايش كمك ميكند. با توجه به استقلال چارچوب پيشنهادي از نوع دادهي ورودي، اين روش قابليت استفاده براي كاربران با ويژگيهاي بيومكانيكي متفاوت را داشته و ميتواند بهعنوان پايهاي مناسب براي طراحي پروتزهاي غيرفعال پيشرفتهتر و توسعهي سامانههاي نيمهفعال و فعال زانوي مصنوعي مورد استفاده قرار گيرد.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/01/24
عنوان به انگليسي
Optimization of mechanical performance of artificial knee prosthesis
تاريخ بهره برداري
2/18/2027 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
شكيب ميراوليائي
چكيده به لاتين
In recent years, the redesign of artificial knee mechanisms with the aim of closely replicating the kinematic behavior of the natural knee has attracted increasing attention. Nevertheless, many existing four-bar knee mechanisms are unable to accurately reproduce the instantaneous center of rotation (ICR) trajectory, which can adversely affect stance-phase stability and overall gait performance.
This study presents a computational framework for the geometric optimization of a four-bar artificial knee mechanism based on the trajectory matching of the natural ICR. Reference ICR paths were extracted from three established sources and preprocessed using interpolation and arc-length-based resampling to ensure geometric consistency and uniform parameterization. The ICR trajectory of the mechanism was obtained through a reformulation and implementation of well-established geometric–kinematic relations of four-bar linkages, enabling analytical computation of the instantaneous center throughout the motion range.
The geometric parameters of the mechanism were optimized using the Differential Evolution (DE) algorithm. The optimization process was conducted over 100 generations with a population size of 35, where the design variables included the linkage lengths and the fixed orientation angle of the mechanism frame relative to the horizontal axis. For each reference trajectory, the optimization was performed independently using two distinct objective functions—Discrete Fréchet distance and Root Mean Square Error (RMSE)—to investigate the influence of each metric on the resulting mechanism design. Additionally, kinematic feasibility constraints were imposed to ensure valid mechanical behavior throughout the optimization process.
The results demonstrate that the optimized mechanisms are capable of reproducing the reference ICR trajectories with high accuracy, yielding RMSE values in the range of approximately 1.5 to 5.2 mm. In comparison, reconstructed mechanisms reported in previous studies exhibited RMSE values of approximately 2.95 and 10.5 mm for comparable trajectories, indicating a notable improvement in geometric conformity achieved by the proposed approach.
Kinematic analysis of the optimized mechanisms reveals that, in the full-extension region, the instantaneous center of rotation is positioned posterior to the load line, thereby effectively enhancing stability at the onset of the stance phase. Owing to its independence from the specific input data source, the proposed framework is adaptable to users with diverse biomechanical characteristics. Furthermore, by adjusting the initial orientation of the driving link, the mechanism geometry can be readily personalized. These findings suggest that the proposed method provides a robust foundation for the design of advanced passive knee prostheses and the future development of semi-active and active artificial knee systems.
كليدواژه هاي فارسي
پروتز , مكانيزم 4 ميلهاي , مركز آني دوران , پايداري سينماتيكي , بهينهسازي
كليدواژه هاي لاتين
Prosthesis , Four-Bar Mechanism , Instantaneous Center of Rotation , Kinematic Stability , Optimization
Author
Shakib Miroliaei
SuperVisor
Dr. S. Kazemirad