شماره راهنما :
1782 دكتري
پديد آورنده :
مجدراصيل، مرضيه
عنوان :
بررسي روشهاي كاهش ضربه‌ي وارد بر مفاصل پايين‌تنه حين فرود جفت پا با استفاده از روشهاي تحليلي مبتني بر مدل اسكلتي عضلاني
گرايش تحصيلي :
ديناميك كنترل و ارتعاشات
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
شانزده، 162 ص. : مصور، جدول، نمودار
استاد راهنما :
محمدجعفر صديق
استاد مشاور :
مهدي كشميري
توصيفگر ها :
فاز ضربه , فرود جفت‌پا , ضربه وارد بر مفاصل , تحريك و نيروي عضلات
استاد داور :
مصطفي غيور، محمد دانش، فرزام فرهمند
تاريخ ورود اطلاعات :
1400/06/20
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1400/06/20
چكيده فارسي :
يكي از پديده‌هاي پيچيده در حركت انسان، ضربه‌ي ايجاد شده حين برخورد كف پا با زمين هنگام فعاليت‌هاي مختلف است. در حين ضربه، نيروهاي بزرگي به اعضا و مفاصل بدن منتقل شده و مي‌تواند باعث ايجاد آسيب در مفاصل، پارگي و كشيدگي عضلات و تاندون‌ها گردد. مطالعه‌ي ضربه‌ي وارد بر مفاصل براي تحليل و پيشگيري از آسيب ورزشكاران و همچنين درمان و يا جلوگيري از پيشرفت بيماري در بيماران داراي مشكلات مفصلي، اهميت ويژه‌اي دارد. هدف اين رساله ارائه‌ي يك مدل اسكلتي-عضلاني تئوري به شكل مستقل از نتايج آزمايشگاهي براي تحليل ديناميك ضربه در فرود جفت پا و كشف چگونگي تحريك خودآگاه و ناخودآگاه عضلات حين برخورد، به منظور انجام مطالعات پارامتري و ارائه‌ي روشهاي كاهش ضربه‌ي وارد بر مفاصل پايين‌تنه مي‌باشد. در اين راستا، ابتدا به مطالعه‌ي سينماتيك فرود و همچنين مقدار ضربه‌ي عكس‌العمل زمين توسط مدل اسكلتي كه گشتاور مفاصل آن از طريق فنر و ميراگر پيچشي اعمال مي‌گردد، پرداخته و اثر تغيير سختي و وضعيت اوليه‌ي فرود هر مفصل را بر مقدار و زمان ضربه‌ي عكس‌العمل زمين و همچنين بر سينماتيك ساير مفاصل مطالعه مي‌كنيم. پس از به دست آمدن شناخت و ديد كلي از عملكرد عضلات توسط مدل اسكلتي، به ارائه‌ي مدل اسكلتي-عضلاني براي شبيه‌سازي فرود مي‌پردازيم. به اين ترتيب يك مدل دوبعدي اسكلتي-عضلاني 4 عضوي با در نظر گرفتن 8 عضله‌ي اصلي بر اساس مدل هيل را براي مطالعه‌ي پديده‌ي ضربه حين فرود جفت پا ارائه داده و معادلات حركت حين برخورد را استخراج و نيروهاي داخلي وارد بر مفاصل در فاز ضربه را محاسبه مي‌نماييم. به كمك اين مدل به بررسي اثر وضعيت اوليه‌ي زاويه‌ي زانو بر ضربه‌ي عكس‌العمل زمين و همچنين ضربه‌ي وارد بر مفصل زانو در دو نوع فرود نرم و سخت پرداخته و ميزان وابستگي اثر تغيير وضعيت اوليه‌ي فرود بر مقدار ضربه را به ميزان تحريك و انقباض عضلات مطالعه خواهيم كرد. سپس براي پيدا كردن درك بهتري از نحوه‌ي عملكرد عضلات در فاز ضربه، مدل اسكلتي-عضلاني را تحت شرايط اوليه‌ي مشخص و دو كران بالا و پايين از فعاليت هر يك از عضلات، به زمين برخورد داده و نيروهاي ضربه‌اي را محاسبه و عضلات مؤثر در كاهش و يا افزايش ضربه در هرمفصل را شناسايي كرده و بر اساس اثر هر يك از عضلات بر ضربه‌ي هر يك از مفاصل، عضلات را در چهار گروه افزاينده، كاهنده، خنثي و نامشخص دسته‌بندي مي‌نماييم. در ادامه، با مطالعه‌ي رفتار سيستم كنترلي عضلات حين فرود و مدل‌سازي تحريكات خودآگاه و ناخودآگاه عضلات در فاز ضربه، مدل اسكلتي-عضلاني-عصبي مناسب براي شبيه‌سازي فرود به شكل مستقل از نتايج آزمايشگاهي ارائه و اعتبارسنجي مي‌گردد. در نهايت با توجه به مشخص شدن نوع تحريك خودآگاه و ناخودآگاه هنگام فرود، به مطالعه‌ي پارامتري مدل نهايي پرداخته و اثر استراتژي‌هاي مختلف فرود شامل وضعيت اوليه‌ي برخورد و ميزان انقباض عضلات را بر ضربه‌ي وارد بر مفاصل حين فرود بررسي مي‌كنيم. همچنين اثر استفاده از اگزواسكلتون تقويتي عضلات در كاهش ضربه‌ي مفصل زانو به شكل تئوري مورد مطالعه قرار خواهد گرفت. نتايج اين رساله مي‌تواند براي آموزش .نحوه‌ي فرود، تقويت هدفدار عضلات به كمك تمرين‌هاي ورزشي و يا طراحي ارتزهاي ساده جهت كاهش آسيب به مفاصل در حين فرود، مورد استفاده قرار گيرد
چكيده انگليسي :
The aim of this study is to evaluate the function of the lower extremity muscles and their voluntary/involuntary excitation for parametric study and the analysis of joint impact force reduction techniques during drop landing, via computational musculoskeletal modeling. In this regard, first, we developed a three link planar model in which joint stiffness was modeled by a torsion spring-and-damper. Different landing scenarios were then simulated to investigate how restricting the displacement of one joint and changing its initial contact angle affect the other jointsʹ ranges of motion, the trunk motion, and the impact ground reaction forces (GRF). Then, the impact dynamics of drop landing was studied via a four link musculoskeletal model with eight Hill-type lower-limb muscles. The effects of the initial knee flexion angle at the contact time on the impact GRF and the impact knee force was investigated in two different landing strategies: landing with high and low joint stiffness. Moreover, in order to compare and rank the muscles with respect to their effect on each impact force, a computationally feasible zero-one (off-on) muscle activation analysis was proposed and the obtained results were used to classify the muscles into four categories, depending on the effect they have on each impact force. Further, by studying the muscle control system behavior, the voluntary and involuntary musclesʹ excitation during the impact phase of landing were identified and simulated. Accordingly, the capacity of our musculoskeletal model for simulating the impact phase of landing without the need for experimental data was evaluated. Finally, we carried out a parametric study to investigate the effect of different landing strategies including the initial contact posture and the amount of musclesʹ contraction, on the joint impact forces during landing. The effect of using the musclesʹ assistive exoskeleton on reducing the knee impact force was also investigated theoretically. The obtained results were of practical importance in training landing skills and designing force-reducing external components.
استاد راهنما :
محمدجعفر صديق
استاد مشاور :
مهدي كشميري
استاد داور :
مصطفي غيور، محمد دانش، فرزام فرهمند
