تعیین غیر مخرب محورهای دوران مچ پا با استفاده از یک مکانیزم ژیروسکوپی رباتیک

نوع مقاله : مقاله مکانیک

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

2 دانشگاه صنعتی بابل

3 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران

4 دانشیار، دانشکده توانبخشی، دانشگاه علوم پزشکی مازندران

چکیده

در میان چهار مفصلی که در ناحیه مچ پای انسان قرار دارد، مفاصل تیبیوتالر و سابتالر بیشترین نقش را در ایجاد امکان لازم برای اجرای حرکات دورانی پا دارا هستند به طوریکه رفتار سینماتیکی پا کاملا تحت تأثیر جهتگیری محورهای دوران این مفاصل است. انحراف این محورهای دوران از وضعیت نرمال باعث می‌شود تا عملکرد مچ پا و به تبع آن عملکرد پایین تنه دستخوش تغییر شود. در این تحقیق، یک روش غیر مخرب جدید ارائه شده‌است به طوریکه از طریق آن و با استفاده از یک مکانیزم ژیروسکوپی رباتیک برای داده‌برداری غیر مستقیم از رفتار سینماتیکی پا، علاوه بر جهتگیری محورهای دوران مفاصل تیبیوتالر و سابتالر می‌توان موقعیت آنها را نیز تعیین نمود. پس از داده‌برداری، با محاسبه ماتریسهای دوران و بردار انتقال و انجام عملیات بهینه‌سازی، جهتگیری و موقعیت محورهای دوران با دقت زیادی محاسبه می‌شوند. این نتایج با ساخت مدل مکانیکی پا و یک مکانیزم ژیروسکوپی رباتیک که در مرحله توانبخشی مچ پا به عنوان ربات توانبخش نیز به کار گرفته می-شود به صورت عملی مورد ارزیابی قرار گرفت. بر اساس نتایج به دست آمده بیشترین خطا در محاسبه جهتگیری محورهای دوران حدود 2 درجه است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Non-invasive Determination of Ankle Rotation Axes Using a Robotic Gyroscopic Mechanism

نویسندگان [English]

  • Reza Arefi 1
  • mohammad hasan ghasemi 2
  • Mohammad Jafar Sadigh Damghanizadeh 3
  • Khodabakhsh Javanshir 4
1 PhD Student, Mechanical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology.
2 Mechanical Engineering Department, Noshirvani Institute of Technology, Babol, Mazandaran.
3 Associate Professor, Mechanical Engineering College, University of Tehran.
4 Associate Professor, Rehabilitation College, Mazandaran University of Medical Science.
چکیده [English]

Among four joints of human foot in the ankle area, the tibiotalar and subtalar joints play the most important role in making it possible for the foot to perform rotational movements such that kinematic behavior of foot is almost completely affected by orientation of their rotation axes. Deviation of the axis of rotation from the normal position can impair the function of the ankle and even the lower extremity. In this study, a new non-invasive method has been proposed, through which, using a gyroscopic mechanism, the orientation of the rotation axes of the tibiotalar and subtalar joints can be determined. This method is based on indirect data acquisition from the kinematic behavior of the foot. Using the calculated matrices and through the optimization method, the orientation and position of the rotation axes were respectively calculated at relatively high precision. These results were also assessed in practice by building an ankle mechanical model and a robotic gyroscopic mechanism which is used as a robotic rehabilitation device for ankle rehabilitation. Obtained results show that the maximum error in determining the orientation of the rotation axes is about 2 degrees.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ankle Joints
  • Rotation Axes
  • Rotation Axes Orientation
  • Rotation Matrix
  • Rehabilitation
  • Rehabilitation Robot

مراجع

[1] Bahler. A. "The biomechanics of the foot", Clinical Prosthetics and Orthotics 10. no.1 (1986): 8-14.
[2] Brocket. C.and G Chapman, "Biomechanics of the ankle", ORTHOPAEDICS AND TRAUMA 30. No 3. (2016): 232-238.   
[3] Donatelli. R. "Normal biomechanics of the foot and ankle", The Journal Of Orthopaedic And Sports Therapy (JOSPT) 7. No 3. (1985): 91-95.
[4] Fernandez. M. et al, "Centre of rotation of the human subtalar joint using weight bearing clinical computed tomography", SCIENTIFIC REPORTS 10. no 1035 (2020): 1-14.
[5] Kelly. N. M Daniel. E Thomas. and J Denis, "Development of a Robotic Assembly for Analyzing the Instantaneous Axis of Rotation of the Foot Ankle Complex", Applied Bionics and Biomechanics. 2016.
[6] Kirby. K. "Biomechanics of the normal and abnormal foot", Journal Of The American Podiatric Medical Association 90. no. 1 (2000): 30-34.
[7] Kirby. K. "Methods for determination of positional variations in the subtalar joint axis", Journal Of The American Podiatric Medical Association 77. no 5 (1987): 228-234.
[8] Kirby. K. "Subtalar joint axis location and rotational equilibrium theory of foot function", Journal Of The American Podiatric Medical Association 91. no 9. (2001): 465-487.
[9] Leardini. A. J. O’Connor. and  S. Giannini, "Biomechanics of the natural, arthritic, and replaced human ankle joint", Journal of Foot and Ankle Research 7. no 8. (2014): 1-16.
[10] Lewis. G. et al, "Determination of subtalar joint axis location by restriction of talocrural joint motion", Gait & Posture 25. (2007): 63-69.
[11] Lundberg. A. "Kinematics of the ankle and foot in vivo roentgen stereophotogrammetry", Acta Orthopaedica Scandinavica Supplementum 60. no 233. (1989): 1-24.
[12] Neumann. D.A. "Kinesiology of the musculoskeletal system".3rd ed. Mosby. 2016.
[13] Spooner. S. and K Kirby. "The subtalar joint axis locator", Journal Of The American Podiatric Medical Association 96, no 3 (2006): 212-219.
[14] Takemura. H. T  Onodera. D Ming and H Mizugochi, "Design and Control of a Wearable Stewart Platform-Type Ankle-Foot Assistive Device", International Journal of Advanced Robotic Systems 9. no 202. (2012).
[15] Kane. T.R. P.W Likins. and D.A Levinson. "Spacecraft Dynamics", 1st ed., McGraw-Hill, NY, USA, 1993.
مدل سازی در مهندسی
دوره 21، شماره 75
دی 1402
صفحه 193-204

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 24 بهمن 1401
  • تاریخ بازنگری: 03 تیر 1402
  • تاریخ پذیرش: 19 تیر 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار