توصيفگر ها :
راه رفتن , مدل اسكلتي - عضلاني , مدل هيل , اگزواسكلتون كمكي مچ پا , گشتاور مفصل
چكيده فارسي :
يكي از حركات معمول و در عين حال پيچيده‌ي انسان، راه رفتن است. براي ايجاد حركت راه رفتن عضلات مختلفي درگير هستند كه در اين ميان عضلات پلانترفلكشن مچ‌پا نقش مهمي را بر عهده دارند. اين عضلات بيش از 50 درصد از كل انرژي مكانيكي مثبت را در پا فراهم كرده و بيش از 60 درصد از توان مكانيكي خروجي در مركز وزن بدن را بازنمايي مي‌كنند. بنابراين، يكي از راه‌هاي كاهش انرژي به هنگام راه‌رفتن، استفاده از اگزواسكلتون‌هاي كمكي عضلات پلانتارفلكسور مي‌باشد. بررسي دقيق عملكرد اين اگزواسكتون‌ها نيازمند تحليل تئوري به كمك مدل‌هاي اسكلتي عضلاني است. در اين پايان نامه، يك مدل تئوري مناسب اسكلتي_عضلاني از مچ‌پاي انسان و عضلات درگير در حركت آن ارائه شده است تا به كمك آن بتوانيم به تحليل همزمان اگزواسكلتون و بدن پرداخته، ميزان اثر‌گذاري اگزواسكلتون را در بهبود راه‌رفتن بررسي نماييم. بر اين اساس ابتدا يك مدل اسكلتي عضلاني يك درجه‌آزادي دو بعدي از حركت مچ‌پا در صفحه‌ي پيشروي هنگام راه‌رفتن در نظر مي‌گيريم. سپس بر اساس نتايج به دست آمده از ميزان كرنش عضله‌ي سولئوس در تست آزمايشگاهي راه رفتن، به كمك مدل مرسوم هيل براي مدل‌سازي رياضي عضله، به محاسبه‌ي گشتاور ايجاد شده توسط اين عضله در راه رفتن مي‌پردازيم. پس از آن با در نظر گرفتن اگزو اسكلتون فنري كمكي، به تحليل همزمان مدل اسكلتي عضلاني و اگزواسكلتون پرداخته، ميزان اثر گذاري اگزواسكلتون را در كمك به راه رفتن با محاسبه‌ي گشتاور و انرژي عضلات به هنگام استفاده از اگزواسكلتون تعيين مي‌نماييم. از آنجا كه در حركت مچ پا در صفحه‌ي پيشروي سه گروه عضله اصلي، شامل دو عضله سولئوس و گسترونومئوس براي حركت پلانترفلكشن و يك عضله‌ي تبياليس آنتريور براي حركت دورسي فلكشن درگير هستند، براي بررسي دقيق‌تر اثر اگزواسكتون نيازمند در نظر گرفتن هرسه اين عضلات در مدل اسكلتي عضلاني مي‌باشيم. بنابراين در ادامه با در نظر گرفتن مدل دو درجه آزادي شامل مچ پا و زانو و با در نظر گرفتن سه عضله‌ي اصلي دخيل در حركت مچ، با استفاده از داده‌هاي آزمايشگاهي سينماتيك مفاصل و الكتروميوگرافي عضلات در حين راه رفتن، گشتاور مورد نياز براي راه رفتن در مچ را محاسبه مي‌نماييم. در نهايت با اضافه كردن اگزواسكلتون به مدل، اثر اگزواسكلتون را در كاهش انرژي و گشتاور عضلات مطالعه كرده و تغيير در پارامترهاي اگزواسكلتون را در بهبود كمك به راه رفتن بررسي مي نماييم. نتايج اين بررسي نشان مي‌دهند، كه استفاده از اگزواسكلتون كمكي مچ پا مي‌تواند ميزان گشتاور و توان مكانيكي عضلات در مفصل مچ را به ترتيب 13.3%-44% و 11.3%-%26.3 كاهش دهد.
چكيده انگليسي :
Walking (gait) is one of the most common and complex human movements. Various muscles are involved in the gait, among which the plantarflexion muscles of the ankle play an important role. These muscles provide more than 50% of the total positive mechanical energy in the leg and represent more than 60% of the output mechanical power at the center of body weight. Therefore, one of the ways to reduce energy while walking is to use auxiliary exoskeletons for plantarflexor muscles. A detailed examination of the function of these exoskeletons requires theoretical analysis with the help of musculoskeletal models. In this thesis, a suitable theoretical musculoskeletal model of the human ankle and the muscles involved in its movement is presented, so that we can analyze the exoskeleton and the body at the same time, and examine the effectiveness of the exoskeleton in improving walking. In this regard, we first consider a two-dimensional one-degree-of-freedom musculoskeletal model of ankle movement in the forward plane during walking. Then, based on the results obtained from the amount of strain of the soleus muscle reported in laboratory tests, we calculate the torque created by this muscle in walking using Hill's model for muscle. Then, considering the spring-type exoskeleton, we analyze the musculoskeletal model and the exoskeleton simultaneously, and determine the effectiveness of the exoskeleton in helping walking by calculating the torque and energy of the muscles when using the exoskeleton. Since three main muscle groups are involved in the movement of the ankle in the forward plane, including two soleus and gastrocnemius muscles for plantarflexion movement and one tibialis anterior muscle for dorsiflexion movement, for a more detailed examination of the effect of exoskeleton, it is necessary to consider all three of these muscles in the model. Therefore, considering a model with two degrees of freedom, including the ankle and knee and considering the three main muscles involved in the movement of the wrist, using laboratory data of joint kinematics and electromyography of muscles during walking, we calculate the torque required for walking, at the wrist. Finally, by adding the exoskeleton to the model, we study the effect of the exoskeleton in reducing muscle energy and torque and examine the changes in the parameters of the exoskeleton in improving walking assistance. The results of this study show that the use of auxiliary ankle exoskeleton can reduce the amount of torque and mechanical power of muscles in the wrist joint by 13.3%-44.4% and 11.25%-26.3%, respectively.
