طراحی و تحلیل سینماتیک اسکلت بیرونی پایین تنه غیرفعال

آرزوی دیرینه انسانها دستیابی به یک مکانیزم کمکی خاص تحت عنوان اسکلت بیرونی بوده است که هماهنگی کاملی با بدن انسان داشته و دارای ویژگی های گوناگونی نظیر افزایش توانایی، کاهش آسیب دیدگی، قابلیت حمل بارهای سنگین، ممانعت از خستگی ناشی از مناطق صعب العبور و ... باشد. این سیستم اولین بار برای توانبخشی معلولین و مجروحین مورد استفاده قرار گرفته و با توسعه فناوری های مربوط به آن، در بخش های نیروهای پیاده نظام، امدادی و آتشنشانی نیز مورد بهره برداری قرار گرفته است. در این مقاله، از فنر و دمپر به جای عملگرهای هیدرولیکی (موتور، باتری و کنترلر) استفاده شده است که این امر موجب صرفه جویی در هزینه گردیده و وزن اسکلت بیرونی را به مراتب سبک تر می کند. همچنین اسکلت بیرونی برای یک حالت خاص از ابعاد وزنی و قدی انسان طراحی و مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. در این راستا، ابتدا مسیر حرکت اسکلت بیرونی بر روی یکسطح صاف را مشخص کرده و با استفاده از معادلات دناویت-هارتنبرگ تحلیل سینماتیک مستقیم جهت تعیین موقعیت اسکلت بیرونی (فضای کاری) انجام می گیرد، همچنین با استفاده از روش هندسی، سینماتیک معکوس جهت تعیین زوایای مفاصل حرکتی (فضای مفاصل) استخراج می شود. سپس با توجه به این که مسیر طراحی شده تابع زمان است، از معادله تقریب نقاط مسیر درجه 3 و شرایط مرزی مربوط به آن استفاده کرده و فضای مفاصل نسبت به زمان محاسبه می گردد. در نهایت، با توجه به مسیر حرکت مرکز جرم (انسان با اسکلت بیرونی) اندازهسرعت خطی فرد مورد بررسی خواهد گرفت. شبیه سازی بیان شده در بالا با نرم افزار متلب صورت گرفته و برای ارزیابی و اعتبار سنجی، نتایج حاصل از پژوهش با نتایج مشابه مربوط به حالت های خاص (زوایای مفاصل پایین تنه انسان بدون اسکلت بیرونی) که در مراجع پیشین موجود هستند، مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد که به کمک اسکلت بیرونی، مفاصل انعطاف پذیر شده و سبب می شود که انسان با اسکلت بیرونی علاوه بر حمل بار، با سرعت بالاتری ( 25 درصد نسبت به حالت عادی) نیز حرکت کند.

کلیدواژه ها:

اسکلت بیرونی پایین تنه ، طراحی مکانیکی ، مسیر حرکت ، دناویت-هارتنبرگ ، شبیه سازی با نرم افزار متلب