عنوان

طراحی و شبیه‌سازی یک کنترل‌گر معاونتی مقاومتی برای توان‌بخشی رباتیک بازوی انسان به کمک واسط برنامه‌نویسی نرم‌افزار اُپن‌سیم

پ۲۶۸۶۸

per

طراحی و شبیه‌سازی یک کنترل‌گر معاونتی مقاومتی برای توان‌بخشی رباتیک بازوی انسان به کمک واسط برنامه‌نویسی نرم‌افزار اُپن‌سیم

شقایق حسن‌زاده خانمیری

مهندسی مکانیک

۱۴۰۱

۸۹ص.

سی دی

کارشناسی ارشد

مهندسی پزشکی گرایش بیومکانیک

۱۴۰۱۰/۰۳/۲۵

از ربات‌های‌توان‌بخشی به منظور بازتوانی بیماران دچار نقص جسمانی و حرکتی استفاده می‌شود. توان‌بخشی رباتیک با دریافت پسخوردهای حرکتی از فرد بیمار این مزیت را فراهم می‌کند که سابقه اطلاعاتی کاملی برای ارزیابی روند بهبود بیماری در اختیار داشته باشیم. در این راستا طراحی یک کنترل گر تعاملی انسان و ربات امری ضروری است. در این مطالعه به طراحی و شبیه‌سازی یک کنترل‌گر به‌ نام کنترل‌گر معاونتي-مقاومتي پرداخته شده‌است. این کنترل‌گر برای تعامل ربات اسکلت خارجی و بازوی دست انسان بکار برده شده‌است. مدل یکپارچه‌ی بازوی دست و ربات اسکلت خارجی به کمک واسط برنامه‌نویس نرم‌افزار اُپن‌سیم در متلب تهیه شده‌است. همچنین این واسط برنامه‌نویسی این امکان را فراهم کرده‌است تا راهکار کنترلی مفروض را روی مدل ایجاد شده آزموده شود. کنترل‌گر پیشنهادی برای کابردهای معاونتی، تقویتی و مقاومتی مورد استفاده قرار گرفت و عملکرد مناسبی در ایجاد یک تعامل نرم و مطابق با اراده فرد کاربر داشته است. در کاربرد معاونتی، تنها عضله سالم، عضله دو سر بازویی کوتاه بود. عضله دو سر بازویی کوتاه به میزان 10 درصد و عضلات دیگر درگیر در حرکت خمش آرنج به میزان 2 درصد تحریک شدند. گشتاور موتور 7/2 نیوتون متر و گشتاور متمرکز مفصل آرنج ناشی از عضلات 1 نیوتون متر بدست آمد. در کاربرد تقویتی، یک وزنه 25 کیلوگرمی در دست مدل قرار گرفت. عضلات آگونیست حرکت خمش آرنج به میزان 100% فعال شدند ولی قادر به بلند کردن وزنه نبودند. موتور و عضلات به ترتیب با تولید گشتاور به میزان 3- نیوتون متر و 21 نیوتون متر توانستند وزنه را تا زاویه مطلوب بلند کنند. در کاربرد مقاومتی، فنری در بین دو لینک اسکلت خارجی قرار گرفت. 3 سناریو با فنرهایی با مشخصات مختلف و درصد تحریک عضلانی متفاوت تعریف گردید. فنر در ابتدای حرکت نقش کمکی و در انتهای حرکت نقش مقاومتی داشته است. نتایج کارآیی روش پیشنهادی را نشان می‌دهد. هم چنین این سیستم کنترلی می‌توان درتوان‌بخشی رباتیک بیماران مبتلا به ترمور، سکته مغزی و دیگر بیماری‌های عصبی عضلانی مورد استفاده قرار گیرد.

Rehabilitation robots are used to rehabilitate patients with physical and mobility disabilities. Robotic rehabilitation by receiving motion feedback from the patient provides the advantage of having a complete track record of assessing the progress of the disease. In this regard, designing an interactive human-robot controller is essential. In this study, a controller called the Assistive-Resistive controller is designed and simulated. This controller is used for the interaction of the exoskeleton robot and the human arm. The integrated model of the exoskeleton and musculoskeletal model has been prepared with the help of the Opensim software programming interface. This programming interface also makes it possible to test the assumed control solution on the created model.The proposed controller was used for assistance, augmentation, and resistance applications and has performed well in creating a smooth interaction according to the will of the user. In the assistive application, the only healthy muscle was the biceps short. The biceps short muscle excited by 10% and other muscles involved in elbow flexion by 2%. The torque of the motor was 2.7 Nm and the concentrated torque of the elbow joint caused by the muscles was 1 Nm. In the augmented application, a 25 kg weight placed in the model's hand. The agonist muscles of the elbow flexion movement excited by 100%, but they were not able to lift the weight. The motor and muscles were able to raise the weight to the desired angle by producing a torque of -3 Nm and 21 Nm, respectively. In the resistance application, a spring was placed between two links of the exoskeleton. 3 scenarios were defined with springs with different specifications and different percentages of muscle excitation. The spring has an assistive role at the beginning of the movement and a resistance role at the end of the movement. The results show the effectiveness of the proposed method. This control system can be used in robotic rehabilitation of patients with tremors, stroke, and other neuromuscular diseases and even increase muscle strength.

Design and Simulation of an Assistive-Resistive Controller for Robotic Rehabilitation of Human Arm Using OpenSim API

حسن‌زاده خانمیری،

شقایق

تهيه کننده

سید نورانی،

سید محمدرضا

استاد راهنما

‏ تبریز