فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)
تعداد صفحات:101
پایان نامه کارشناسی ارشد مکاترونیک
فهرست مطالب:
1-1 مقدمه 13
۲-۱ تعریف توانبخشی 18
۲-۲ اهمیت توانبخشی 18
۲-3 مهم‌ترین اهداف توانبخشی 19
۲-4 توانبخشی زانو 19
۲-4-۱ تمرینات غیر فعال 20
۲-4-۲ تمرینات فعال
20
۲-4-۱-۱ تمارین غیرفعال آزاد: 20
۲-4-۱-۲ تمارین غیر فعال کششی 21
۲-4-۲-۱ تمارین فعال کمکی 22
۲-4-۲-۲ تمارین فعال مقاومتی 23
۲-۵ حرکات مفصل زانو 24
۲-6 روند فیزیوتراپی زانو 26
۲-7 حالت‌های بدن در حین تمرین 27
۲-8 نتیجه گیری 28
3-1 مقدمه 31
3-2 انواع رباتهای توانبخشی 32
3-3 مروری بر گذشته رباتهای توانبخشی(Rehabilitation Robots) : 33
3-3-1 تردمیل های آموزش حرکت 34
3-3-2 آموزش چگونه بودن کف پا در حرکت 35
3-3-3 آموزش حرکت به وسیله رباتهای سیار 35
3-3-4 توانبخشی مچ پا 36
3-3-4-1 سیستم های ثابت 36
3-3-4-2 سیستم‌های متحرک 36
3-3-5 رباتهای ثابت توانبخشی 37
3-4 پارامتر های مهم در طراحی ربات 38
3-4-1 کنترل موقعیت ربات 38
3-4-2 کنترل نیروی اعمالی به بیمار 38
3-4-3 ذخیره اطلاعات بیمار 39
3-5-3 حالت‌های بدن در حین تمرین 40
4-1 مقدمه 42
4-2 روش کنترل امپدانس بر پایه گشتاور 43
4-2-1 معادلات دینامیکی 43
4-2-2 کنترل امپدانس 44
4-2-3 شبیه سازی سیستم کنترل 44
4-2-3-1 تمرین غیرفعال 46
4-2-3-2 تمرین ایزومتریک 47
4-2-3-3 تمرین ایزوتونیک 49
4-2-3-4 تمرین فعال کمکی 51
4- 3 روش کنترل امپدانس بر پایه ولتاژ 53
4-3-1 معادلات دینامیکی 53
4-3-2 کنترل امپدانس 55
4-3-3 شبیه سازی سیستم کنترل 56
4-3-3-1 تمرین غیرفعال 56
4-3-3-2 تمرین ایزومتریک 58
4-3-3-3 تمرین ایزوتونیک 60
4-3-3-4 تمرین فعال کمکی 61
4-4 نتیجه گیری 63
5-1 مقدمه 65
5-2-1 معادلات دینامیکی 65
5-2-2 کنترل امپدانس 67
5-2-3 اثبات پایداری 70
5-2-4 شبیه سازی سیستم کنترل 73
5-2-4-1 تمرین غیرفعال 74
5-2-4-2 تمرین ایزومتریک 75
5-2-4-3 تمرین ایزوتونیک 77
5-2-4-4 تمرین فعال کمکی 78
5-3 نتیجه گیری 80
6-1 مقدمه 82
6-2 معادلات دینامیکی 83
6-3 کنترل امپدانس 85
6-4 طراحی سیستم فازی 88
6-5 اثبات پایداری 91
6-6 شبیه سازی سیستم کنترل 92
6-4-1 تمرین ایزومتریک 93
6-7 نتیجه گیری 97
فهرست اشکال
ردیف عنوان صفحه
1. شکل 2 1: مقایسه کشورهای مختلف از نقطه نظر افراد نیازمند به توان بخشی 19
2. شکل 2-2: حرکت extension/flexion زانو....... 28
3. شکل 2 3 : حرکتAdduction/Abduction زانو.... 28.
4. شکل 2 4: میزان اثرگذاری حالت بدن در تمرین‌های فیزیوتراپی... 30 ..
5. شکل 3 1 : بررسی میزان توجه جوامع علمی به رباتهای توانبخشی 30
6. شکل 3 2 :تقسیم بندی رباتهای توانبخشی.... 34.
7. شکل 3 3 :رباتهای توانبخشی.................................................................................................................................................................................36.
8. شکل 3 4 : میزان اثرگذاری حالت بدن در تمرین‌های فیزیوتراپی.................................................... 41
9. شکل 4 2 : مسیر طراحی شده ( سمت چپ:تمارین غیرفعال،ایزوتونیک و فعال کمکی.سمت راست : تمارین ایزومتریک 47
10. شکل 4 3: کارایی کنترل کننده امپدانس سنتی بر پایه گشتاور در تمرین غیرفعال 48
11. شکل 4 4 : امپدانس ربات از دیدگاه بیمار در تمرین غیرفعال 49
12. شکل 4 5 : گشتاور محاسبه شده توسط کنترل کننده برای تمرین غیرفعال 49
13. شکل 4 6: کارایی کنترل کننده امپدانس سنتی بر پایه گشتاور در تمرین ایزومتریک 50
14. شکل 4 7: امپدانس ربات از دیدگاه بیمار در تمرین ایزومتریک 50
15. شکل 4 8 : گشتاور محاسبه شده توسط کنترل کننده برای تمرین ایزومتریک 51
16. شکل 4 9: کارایی کنترل کننده امپدانس سنتی بر پایه گشتاور در تمرین ایزوتونیک 52
17. شکل 4 10 : امپدانس ربات از دیدگاه بیمار در تمرین ایزوتونیک 52
18. شکل 4 11 :گشتاور محاسبه شده توسط کنترل کننده برای تمرین ایزوتونیک 53
19. شکل 4 12: کارایی کنترل کننده امپدانس سنتی بر پایه گشتاور در تمرین فعال کمکی 53
20. شکل 4 13 : امپدانس ربات از دیدگاه بیمار در تمرین فعال کمکی 54
21. شکل 4 14 :گشتاور محاسبه شده توسط کنترل کننده برای تمرین فعال کمکی 54
22. شکل 5 1 : بلوک دیاگرام کنترل کننده امپدانس بر پایه گشتاور 75
23. شکل 5 2: مسیر طراحی شده ( سمت چپ : تمارین غیرفعال، ایزوتونیک و فعال کمکی.سمت راست : تمارین ایزومتریک 76
24. شکل 5 3: مقایسه کارایی کنترل کننده مقاوم ارایه شده با روش غیر مقاوم با در نظر گرفتن عدم قطعیت‌ها در تمرین غیرفعال 76
25. شکل 5 4 : مقایسه خطای امپدانس کنترل کننده مقاوم ارایه شده با روش غیر مقاوم با در نظر گرفتن عدم قطعیت‌ها در تمرین غیرفعال 77
26. شکل 5 5 : مقایسه کارایی کنترل کننده مقاوم ارایه شده با روش غیر مقاوم با در نظر گرفتن عدم قطعیت‌ها در تمرین ایزومتریک 78
27. شکل 5 6 : مقایسه خطای امپدانس کنترل کننده مقاوم ارایه شده با روش غیر مقاوم با در نظر گرفتن عدم قطعیت‌ها در تمرین ایزومتریک 78
28. شکل 5 7 : مقایسه کارایی کنترل کننده مقاوم ارایه شده با روش غیر مقاوم با در نظر گرفتن عدم قطعیت‌ها در تمرین ایزوتونیک 79
29. شکل 5 8 : مقایسه خطای امپدانس کنترل کننده مقاوم ارایه شده با روش غیر مقاوم با در نظر گرفتن عدم قطعیت‌ها در تمرین ایزوتونیک 80
30. شکل 5 9 : نمودار بالا مقایسه کارایی و نمودار پایین مقایسه امپدانس دیده شده از سمت بیمار بین روش مقاوم ارایه شده با روش غیر مقاوم با در نظر گرفتن عدم قطعیت‌ها 81
31. شکل 5 10 : ولتاژ موتور برای تمامی حرکت‌ها با استفاده از کنترل کننده ارایه شده 81
32. شکل 5 11 : جریان موتور برای تمامی حرکت‌ها با استفاده از کنترل کننده ارایه شده 82
33. شکل 6 1 : توابع عضویت ورودی(قسمت بالا) و توابع عضویت خروجی (قسمت پایین) 91
34. شکل 6 2: بلوک دیاگرام کنترل کننده هوشمند مقاوم امپدانس بر پایه ولتاژ 95
35. شکل 6 3: مقایسه کارایی کنترل کننده امپدانس بر پایه ولتاژ با ضرایب ثابت و کنترل کننده امپدانس بر پایه ولتاژ با ضرایب 2متغیر 96
36. شکل 6 4: مقایسه کارایی کنترل کننده امپدانس مقاوم بر پایه ولتاژ با ضرایب ثابت و کنترل کننده امپدانس مقاوم هوشمند بر پایه ولتاژ 96
37. شکل 6 5 : مقایسه کنترل امپدانس بر پایه ولتاژ با ضرایب ثابت و کنترل امپدانس بر پایه ولتاژ با ضرایب متغیر در ایجاد امپدانس مطلوب 97
38. شکل 6 6: مقایسه کارایی کنترل امپدانس مقاوم بر پایه ولتاژ با ضرایب ثابت و امپدانس مقاوم هوشمند بر پایه ولتاژ در ایجاد امپدانس مطلوب 97
39. شکل 6 7 : ولتاژ موتور برای تمامی روش‌های کنترلی 98
40. شکل6 8 : جریان موتور برای تمامی روش‌های کنترلی 98
فهرست جداول
صفحه عنوان ردیف
جدول3-1 : مروری بر ریات های تردمیل آموزش حرکت 1
جدول3-2 : مروری بر ریات های آموزش چگونه بودن کف پا در حرکت 2
جدول3-3 : مروری بر ریات های آموزش حرکت به وسیله رباتهای سیار 3
جدول3-4 : مروری بر ریات های توانبخشی مچ پا (ثابت) 4
جدول3-5 : مروری بر ریات های توانبخشی مچ پا (متحرک) 5
جدول 3-6: بررسی میزان نیاز به اندازه گیری پارامترهای مورد نیاز برای کنترل حرکت از دید فیزیوتراپ‌ها 6
جدول 3-7: بررسی میزان نیاز به اندازه گیری نیرو از دید فیزیوتراپ‌ها 7
جدول 3-8 : اطلاعات مربوط به روند بهبود درمان 8
جدول 3-9 : اطلاعات ارزیابی بیمار 9
جدول 4-1 : مقادیر پارامترهای ربات و بیمار برای شبیه سازی 10
جدول 5-1 : مقادیر پارامترهای ربات و بیمار برای شبیه سازی 11
جدول6-2 : قوانین فازی برای سیستم‌های فازی 12
جدول 1-1: مقادیر پارامترهای ربات و بیمار برای شبیه سازی
1-1 مقدمه :
هدف از توانبخشی بازگرداندن توانایی فیزیکی،حسی و یا ذهنی بیمار است که بر اثر عوامل مختلف ممکن است از دست رفته باشد.بیماران بعد از بیماری‌هایی نظیر فلج نخاعی، شکستگی، ناتوانی ماهیچه و عمل جراحی بر روی زانو برای بازگرداندن توانایی حرکتی خود به توانبخشی نیاز دارند. شمار افراد نیازمند به توانبخشی هر روزه در حال افزایش است و به صورت همزمان تکنولوژی‌های مورد استفاده در توانبخشی نیز در حال پیشرفت است.
قیدهای توانبخشی و تمرین‌های توانبخشی دو بخش اساسی در توانبخشی هستند. تمرین‌های توانبخشی به عنوان یکی از بخش‌های اساسی در توانبخشی محسوب می‌شوند و هدف از این تمارین بازگرداندن بیمار به تمامی فعالیت‌های روزمره به صورت بدون عادی و بدون درد است.
برای داشتن تمرین‌های موثر چند پارامتر خاص باید با ترتیب مشخص مد نظر گرفته شود به عبارتی برای بازگرداندن بیمار به فعالیت‌های روزمره باید هر یک از این پارامترها به حالت قبل از بیماری در آیند.
این پارامترها به ترتیب عبارتند از :
1.انعطاف پذیری و دامنه‌ی حرکت مفصل
2.قدرت و توانایی عضلانی مفصل
3.چابکی و چالاکی مفصل
این پارامترها و ترتیب آن‌ها باعث می‌شود تمرین‌های توانبخشی با تمرین‌های غیرفعال شروع می‌شوند. در این تمرین‌ها بیمار هیچ نیرویی وارد نمی‌کند و ربات تمام نیروی لازم برای حرکت را فراهم می‌کند هدف از این‌گونه تمرین‌ها جابجایی کامل دامنه حرکت برای بازگرداندن دامنه‌ی حرکتی و قدرت انعطاف پذیری بیمار است ، در ادامه با تمرین‌های کمکی ادامه می‌یابند در این تمرین‌ها بیمار سهمی از نیروی لازم برای حرکت را به عهده می‌گیرد و باقیمانده این نیرو توسط ربات تأمین می‌شود و هدف افزایش قدرت ماهیچه‌ها و عضلات و در نهایت با تمرین‌های مقاومتی پایان میابند که این تمرین‌ها بیشتر برای افزایش چابکی و هماهنگی اعصاب و عضله بکار گرفته می‌شوند.
به طور معمول بیمارانی با مشکلات ناتوانی در دست و پا به انجام تمرین‌های متناوب در طول جلسات فیزیوتراپی نیازمند هستند. این جلسات شامل یک سری از حرکات متناوب و فیزیکی با کمک و تحت نظارت یک فیزیوتراپ برگزار می‌شوند.
انتقال بیمار به مرکز درمانی و یا آمدن پزشک به مکانی که بیمار در آن حضور دارد از جمله فاکتورهایی هستند که باعث بالا رفتن هزینه های درمان می‌شوند. همچنین پروسه بازگردانی توانایی ماهیچه ایی بیمار به میزان معمول آن هزینه بر و نیازمند زمان است.
مطالعات زیادی در مورد استفاده از ربات‌ها در توانبخشی برای برطرف کردن مشکلات این چنینی مخصوصاً در دهه اخیر صورت گرفته است. از جمله دلایل استفاده از ربات‌ها در توانبخشی می‌توان به موارد زیر اشاره نمود.
• ربات‌ها به راحتی ، نیاز به حرکت رفت و برگشتی را بر طرف می‌کنند.
• ربات‌ها در ایجاد و کنترل نیرو دقت بیشتری دارند.
• ربات‌ها با دقت بیشتری در موقعیت‌های مورد نظر قرار می‌گیرند.
• ربات‌ها خسته نمی‌شوند.
از ماشین‌های اولیه مورد استفاده در توانبخشی می‌توان به دستگاه های CPM اشاره کرد.این دستگاه‌ها که امروزه به طور گسترده ایی در مراکز درمانی برای توانبخشی و فیزیوتراپی استفاده می‌شوند، اولین بار در سال 1970 ارایه شد.این دستگاه تمرین‌های غیرفعال را برای بیمار به طور کامل انجام می‌دهد.با این وجود در طول انجام تمارین گاهی بیماران یک حرکت ناگهانی در حین انجام تمرین از خود نشان می‌دهند. این دستگاه‌ها قادر به عملکرد مناسب در برابر این واکنش‌ها را ندارند و این امر سبب ایجاد مشکلات زیادی برای بیماران می‌شوند. این مشکلات سبب می‌شود تا نیاز به وجود دستگاه‌هایی هوشمند تر و با قابلیت گرفتن فیدبک های لازم به صورت لحظه به لحظه در طول پروسه توانبخشی هر چه بیشتر از قبل احساس شود. با در نظر گرفتن این شرایط هرروزه بر تعداد رباتهای در توانبخشی افزوده می‌شود.
ازجمله رباتهای ساخته شده تا کنون می‌توان به ربات NeXOS (1) که قادر به انجام همه‌ی تمرین‌های فعال، کمکی، مقاومتی و غیرفعال با استفاده از اطلاعات تصویری موقعیت بود اشاره کرد. Motion Maker (2) نیز ربات دیگری بود که با استفاده از روش کنترل پیش خوردی برای انجام تمارین زانو ،ران و مچ بود که حرکت رو به جلو و عقب را برای هر کدام از این مفاصل فراهم می‌ساخت. برخلاف موارد قبل MIT-MANUS (3) یک ربات اسکارا صنعتی بود که برای موارد توانبخشی مورد استفاده قرار گرفت.در این ربات از کنترل امپدانس به عنوان استراتژی کنترل استفاده شد که یکی از بهترین و مؤثرترین روش‌های کنترلی است.
ربات یک درجه آزادی Multi Iso (4) اختصاصاً برای زانو طراحی شده بود که از یک کنترل‌کننده سلسله مراتبی برای کنترل موقعیت، سرعت و نیرو سود می‌برد. نکته قابل توجه در این ربات استفاده از منطق فازی برای کنترل سرعت بود که از اولین استفاده های کنترل‌کننده های هوشمند در این عرصه بود.
(5) LOKOMAT نیز به عنوان یکی از رایج‌ترین ربات‌ها در زمینه توانبخشی است. این ربات در اکثر فروشگاه های تجهیزات پزشکی موجود است. این ربات که یک ترد میل اتوماتیک برای آموزش راه رفتن است که از کنترل کننده‌ی هیبرید موقعیت-نیرو بهره می‌گیرد البته بر روی این ربات استراتژی‌های مختلف کنترلی تا کنون آزمایش شده است.
به طور کلی ربات‌ها در توانبخشی را می‌توان به 3 دسته تقسیم کرد.
1) ربات برای کمک به بیماران نیازمند در کارهای روزمره
2) ربات برای پشتیبانی توانایی حرکت
3) ربات برای کمک به انجام تمرین‌های تکراری فیزیوتراپی
چالش اساسی در اتوماتیک کردن فیزیوتراپی این است که وابستگی به نحوه انجام تمرین توسط کاربر ربات را به کمترین مقدار ممکن برسانیم. این موضوع باعث شده است که محققان در این رشته باید تشخیص دهند که ربات چه کاری باید در تعامل با حرکت‌های بیمار از خود نشان دهد تا به بیشترین میزان سلامتی برای بیمار دست یافت.
مواجهه با این چالش سبب می‌شود با دو پرسش اساسی و مهم روبرو شویم :
1) تعیین وظایف حرکتی مناسب برای بیمار (حرکت مناسبی که بیمار باید انجام دهد در تعامل با ربات چیست و فیدبک های مورد نیاز برای بررسی عملکرد بیمار کدام است)
2) تعیین الگوی نیروی مناسب وارد شده به بیمار در طول حرکت( چه نیرویی باید ربات به مفصل بیمار برای انجام صحیح تمرین فیزیوتراپی وارد کند)
مهندس رباتیک برای پاسخ به این دو پرسش با 2 مشکل مواجه است. اولین مشکل و معضل یک مشکل علمی است و آن این است که عدم قطعیت‌های زیادی در باره ی آنچه ربات دقیقاً باید انجام دهد وجود دارد. این عدم قطعیت‌ها خود یک فرصت علمی مناسب برای بحث و تبادل نظر در زمینه فیزیوتراپی رباتیک در مجامع علمی دنیا ایجاد کرده است.
اما مشکل دوم در مقابل مهندس رباتیک یک مشکل تکنیکی است. این مشکل از آنجایی سرچشمه می‌گیرد که دستگاه‌های رباتیک در این عرصه معمولاً با درجات آزادی مختلف ساخته می‌شوند.واضح است که درجات آزادی بیشتر سبب انعطاف پذیری بیشتر ربات در تعامل با بیمار و همچنین امکان انجام تمرین‌های متنوع‌تر است از سوی دیگر نیز افزایش درجات آزادی سبب سنگین شدن ربات و در نتیجه مشکلات بیشتر در زمینه‌ی حمل و نقل ربات که یک معضل اساسی است و همچنین باعث افزایش قیمت تمام شده ربات می‌شود در نتیجه مهندس رباتیک با یک انتخاب مهم روبرو است.
این دو پرسش سبب می‌شود که دو مسئله طراحی مکانیکی و کنترل ربات به عنوان مسایل بنیادی در این عرصه اهمیت زیادی یابند.
تا کنون روش¬های مختلفی برای کنترل این سیستم‌های رباتیک پیشنهاد شده است. از آن دسته می‌توان به کنترل نیرو، کنترل موقعیت، کنترل هیبرید (2)، کنترل هوشمند (3) و کنترل امپدانس (6) اشاره کرد. مشکل کنترل نیرو- موقعیت این است که کنترل توأم موقعیت و نیرو قابل انجام نیست به همین دلیل کنترل امپدانس به عنوان مؤثرترین روش کنترل برای رباتهای توانبخشی شناخته می‌شود. ایده اصلی در کنترل امپدانس، اجرای رفتار دینامیکی از پیش تعیین شده برای ربات است. با این حال که ربات متأثر از محیط خارجی می‌باشد. از ویژگی‌های کنترل امپدانس می‌توان به سادگی و مقاوم بودن در مقابل عدم قطعیت پارامتری اشاره کرد.
استراتژی کنترل گشتاور، روش معمول در کنترل ربات است. به دلیل وارد شدن معادلات دینامیکی ربات در کنترل بر مبنای گشتاور، قانون کنترل پیچیده می‌شود. همچنین در واقعیت ربات‌ها به وسیله محرک‌ها به حرکت در می‌آیند بنابراین برای کنترل ربات‌ها باید محرک‌های ربات کنترل شود. این دیدگاه سبب می‌شود تا مسئله کنترل ربات به مسئله کنترل محرکه‌ها تبدیل شود. محرکه های الکتریکی در ربات‌ها بسیار پرکاربردند و ورودی آن‌ها ولتاژ اعمالی به آن‌هاست. در نتیجه، ایده کنترل امپدانس بر مبنای استراتژی ولتاژ در این پایان نامه مطرح می‌شود. کنترل بر مبنای ولتاژ باعث سادگی، دقت، سرعت در محاسبات و مقاوم‌تر بودن نسبت به عدم موقعیت می‌شود. علاوه بر این، معادلات الکتریکی موتور بسیار ساده تر از معادلات دینامیکی ربات‌هاست (7).
در این پروژه ما پس از مطالعه مراجع و فرموله کردن سیستم رباتیک به طراحی و شبیه سازی کنترل امپدانس با روش گشتاور و روش ولتاژ می‌پردازیم و این روش‌ها را مقایسه می‌کنیم و در بخش دیگر پایداری سیستم کنترل نیز تحلیل می‌شود.