-‎-

مهندسي مكانيك

هدف اين رساله، طراحي ربات توانبخشي جهت انجام تمرينات مختلف براي بيماران فلج مغزي است. در ابتدا، براي شناخت مناسب‌تر اين دسته از بيماران، بررسي اجمالي انجام شد و بيماران اسپاستيك ديپلژي و كوادروپلژي به‌عنوان جامعه هدف انتخاب شدند. با توجه به اينكه اين بيماران حركات غيرنرمال بسيار متنوعي دارند، در اين رساله براي شناخت وسيع‌تر اين گروه، تنها بر پيچش استخوان تمركز شده است. براي انجام تحليل‌هاي دقيق‌تر درباره علت مشكل پيچش استخوان در بيماران اسپاستيك، نياز به تعيين راستاي دقيق اعمال نيرو به سر استخوان فمور وجود دارد. بر همين اساس، مدل دوبعدي از سيستم اسكلتي-عضلاني با در نظر گرفتن جرم ماهيچه و تغيير موقعيت آن (و در نتيجه تغيير شعاع دوران مفصل توسط هر ماهيچه) پيشنهاد مي‌شود. با كمك اين مدل، امكان تغيير زاويه مفصل نسبت به اپن‌سيم تا 50 درصد افزايش يافته است. با توجه به ناتواني بيماران اسپاستيك در حفظ پاسچر، ربات تمرينات تعادلي باريكا پيشنهاد شد كه پس از مدل‌سازي ديناميكي، روش كنترل به‌هنگام نياز ارائه شده است. اين روش باعث مي‌شود بيماران در حين انجام تمرينات به‌صورت فعالانه مشاركت داشته باشند؛ موضوعي كه پزشكان همواره در استفاده از ربات‌هاي توانبخشي بر آن تأكيد مي‌كنند. با توسعه مدل تعامل ربات-بيمار، تأثيرگذاري احتمالي ربات بررسي شده است. نتايج شبيه‌سازي‌ها نشان مي‌دهد كه با كمك ربات باريكا مي‌توان فرد را به نزديك‌ترين محدوده تعادل بازگرداند، بنابراين بيمار مي‌تواند مدت زمان بيشتري را در حالت تعادل حفظ كند. اين زمان از 2 ثانيه براي محدوده تعادل 2 سانتي‌متري به 8 ثانيه براي محدوده تعادل 0.2 سانتي‌متري افزايش يافته است. با توجه به عملكرد بيماران اسپاستيك در هنگام راه‌رفتن، ربات پوشيدني گيت طراحي شده است. پس از توسعه مدل ديناميكي اين ربات، از روش مود لغزشي براي رديابي مفاصل در مسير مطلوب استفاده شده و با تنظيم مقدار k (پارامتر صفحه لغزشي) به k=10 به‌عنوان مقدار بهينه براي رديابي صحيح مسير دست يافته‌اند. ميانگين RMSE براي هر 5 مفصل برابر با 0.351644 محاسبه شده است. در نهايت، با تلفيق قابليت‌هاي ربات باريكا و ربات گيت، يك ربات جامع براي انجام تمرينات توانبخشي طراحي و مدل‌سازي شده است. اين ربات قادر است تنه را با 6 درجه آزادي كنترل كند و مفاصل زانو و لگن را در مسير مطلوب صفحه ساجيتال هدايت نمايد؛ بنابراين براي انجام انواع تمرينات توانبخشي مناسب خواهد بود.

1404/08/20

Design an‎d modeling of a cable robot system for assisting patients with cerebral palsy

4/20/2026 12:00:00 AM

The objective of this thesis is to design a rehabilitation robot for performing various exercises for patients with cerebral palsy. Initially, to better understan‎d this group of patients, a preliminary study was conducted, an‎d patients with spastic diplegia an‎d quadriplegia were selec‎ted as the target population. Given that these patients exhibit highly diverse abnormal movements, this thesis focuses specifically on bone torsion to gain broader understan‎ding of this patient group. For more precise analysis of the bone torsion problem in spastic patients, it is necessary to determine the exact direction of force application to the femoral head. Accordingly, a two-dimensional model of the musculoskeletal system is proposed, which considers muscle mass an‎d its positional changes (an‎d consequently the change in joint rotation radius by each muscle). Using this model, the ability to change joint angle relative to OpenSim has been improved by up to 50%. Due to spastic patientsʹ inability to maintain posture, the Bariqa balance training robot was proposed. Following dynamic modeling, an assist-as-needed control method has been developed, enabling patients to actively participate during their exercises - an important issue that physicians emphasize when using rehabilitation robots. By developing a robot-patient interaction model, the robotʹs potential effectiveness was eva‎luated. Simulation results showed that since the Bariqa robot can return the person to the nearest stability margin, the patient can maintain balance for longer durations during exercises, with this time increasing from 2 seconds for a 2 cm stability margin to 8 seconds for a 0.2 cm margin. Considering spastic patientsʹ walking performance, a wearable gait robot was designed. After developing the dynamic model of this robot, a sliding mode control method was used to track joints along the desired trajectory, with the sliding surface parameter k adjusted to k=10 as the optimal value for accurate trajectory tracking. The average RMSE for all 5 joints was calculated to be 0.351644. Finally, using both the Bareca robot an‎d the gait robot, a comprehensive rehabilitation robot has been designed an‎d modeled. Since this robot controls the torso with 6 degrees of freedom an‎d can guide all 4 knee an‎d hip joints (both right an‎d left) along the desired trajectory in the sagittal plane, it appears suitable for performing various rehabilitation exercises.

اسپاستيك ديپلژي , ربات باريكا , ربات توانبخشي , ربات پوشيدني گيت , كنترل به هنگام نياز , مدل اسكلتي-عضلاني

Assist-as-needed (AAN) control , BaReCa robot , Exoskeleton gait robot , Musculoskeletal model , Rehabilitation robot , Spastic diplegia

Farzaneh Allahverdi

M.H. Korayem