20965

۲۰۹۶۵

طراحي، ساخت و كنترل پروتز فعال براي افراد قطع عضو بالاي زانو

كارشناسي ارشد

بيومكانيك

۱۳۹۸/۰۲/۳۰

دكتر برهان بيگ زاده

مكانيك

قطع پا زندگي فرد را وارد مرحله‌اي نا آشنا كرده، جنبه‌هاي مختلف آن تحت الشعاع اين رويداد قرار گرفته و نيازهاي روحي و جسمي وي بشدت دستخوش تغيير مي‌شود. در تحقيق پيش رو سعي شده است جنبه نياز جسمي معلول به عضو مصنوعي مد نظر قرار گيرد. با همين هدف پروتز فعال زانو با مكانيزمي چهار ميله اي كه نيروي محركه آن را موتور جريان مستقيم تامين مي‌كند طراحي، ساخته و كنترلر آن شبيه سازي شده است. در اين پايان نامه يك مكانيزم چهارميله‌اي از نوع مولد حركت براي طراحي پروتز ارائه شده است تا بواسطه آن مركز دوران پروتز زانو پروفيل مطلوبي داشته و پايداري پروتز تضمين شود. در طراحي مكانيزم نهايت تلاش براي كاهش ابعاد و وزن پروتز بكار گرفته شده است و به اين منظور از نرم افزار Artas Sam و منحني‌هاي توليد شده در اين نرم افزار براي تغيير مكان، سرعت و دوران اجزاي مختلف مكانيزم استفاده شده است. همچنين با اضافه كردن يك المان الاستيك/ويسكوالاستيك امكان جذب شوك ناشي از تماس پاشنه پا با زمين تامين شده است كه براي مطالعات آينده امكاني را فراهم مي‌كند تا بتوان پروفيل گام‌برداري را بصورت پسيو اصلاح نمود. طرح مفهومي پروتز با استفاده از نرم افزار Solidwoks بصورت محصولي قابل ساخت طراحي شده است و سپس بصورت استاتيكي تحليلي ابتدايي براي مشاهده تغييرفرم‌ها و ضرايب اطمينان بخش ‌هاي مختلف پروتز در يك بارگذاري ثابت روي آن انجام گرفته و نتاج گزارش شده است. پروتز ارائه شده به كمك روش باندگراف مدل شده و سپس با تبديلات مناسب مدل بلوك دياگرام استخراج و براي شبيه سازي در نرم افزار MATLAB پياده شده است. در ادامه از منطق فازي و جعبه ابزار مربوطه در متلب براي طراحي كنترلر شبه تناسبي-انتگرالي استفاده شده و در نهايت كنترلر به مدل بلوك دياگرام متصل و نتايج شبيه سازي بازاي ورودي هاي مختلف و در دوحالت شبه تناسبي و شبه تناسبي–انتگرالي در SIMULINK ارائه، مقايسه و بحث شده‌اند. همچنين در بخش پيوست شبه كد كنترلر فازي براي پياده‌سازي روي ميكروكنترلرهاي 8 بيتي شركت Microchip در محيط برنامه نويسي MikroC، تبديلات لازم براي بيان مدل به زبان باند گراف، معرفي منطق فازي و همچنين آموزشي كوتاه براي استفاده از نرم افزار Artas Sam ارائه شده است. واژگان كليدي: پروتز فعال، پاي رباتيك، باندگراف، كنترل فازي، Artas SAM

1398/05/28

5/19/2020 12:00:00 AM

An amputated leg changes one's life drastically. It affects different aspect of their life and alters their physical and mental needs. The main focus of this study is on providing a prosthetic knee in order to meet some physical needs of a transfemoral amputee. Therefore an active prosthetic knee comprising a four-bar mechanism which is being powered by a brushed DC motor has been designed, fabricated and its controller's been simulated. In this study a motion generating four-bar mechanism is employed to meet a desired moving instant center of rotation and also to ensure mechanical stability of the prosthetic knee in stance phase. Efforts has been made to lower the size and weight of the proposed prosthesis using Artas SAM. This program is specifically developed to synthesize and analyze a mechanical mechanism and is able to provide various graphs such as displacement, velocity, acceleration, rotation, etc. of a specific element in a given mechanism. An elastic/viscoelastic element has been added to the mechanism as a shock absorber which in future studies will be used to correct gait patterns in a passive way. Using Solidworks the conceptual design has been turned to a mechanical design ready for fabrication, and a basic static structural analysis has been tried on the mechanical design to observe general deformations and to determine factor of safety of different parts of the desined prosthesis. The proposed prosthesis is modeled using bond graph modeling language and then the resulting model is interpreted to form a block diagram in order to make its simulation in MATLAB possible. For designing a PI-Like controller, fuzzy logic and its toolbox in MATLAB has been utilized and the resulting controller has been used to simulate the model. Simulation results for different standard input has been reported and discussed. In the Appendix section of this thesis a pseudo codes of the fuzzy controller based on an 8-bit Microchip microcontroller, basic transformations of physical elements to a bond graph model, an introduction to fuzzy logic and a fast tutorial on how to use Artas Sam to analyze a four-bar mechanism has also been added. Keywords: Prosthetic knee, Robotic leg, Bond graph, Fuzzy control, Artas SAM