طراحی، تحلیل و شبیه سازی عملکرد یک مکانیزم حرکتی ساده و مؤثر برای دستگاه تمرین راه رفتن

نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه بیومکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف

2 دانشجوی دکترا، دانشکده مهندسی مکانیک و مکاترونیک، دانشگاه واترلو، کانادا

3 مدرس، گروه بیومکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف

4 استاد، گروه بیومکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف

10.22041/ijbme.2013.13086

چکیده

استفاده از تابش مایکروویو به عنوان یک روش کمکی برای کاهش زمان سنتز و رسیدن به ساختاری همگنتر، از رویکردهای جدید در سنتز پودرهای کلسیمفسفات دوفازی است. در این پژوهش مشخصهیابی نانوپودرهای کلسیمفسفات دوفازی سنتز شده به کمک مایکروویو انجام شد. تغییرات فازی، ترکیب شیمیایی، مورفولوژی و اندازه ذرات توسط تکنیکهای پراش پرتو ایکس، اسپکتروسکوپی مادون قرمز با انتقال فوریه، و و میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی شدند. نتایج حاکی از آن بود که استفاده از مایکروویو به عنوان یک کمک سنتز منجر به بهبود میزان بلورینگی شده و اندازه بلورکها در محدوده 16 تا 27 میلیمتر افزایش مییابد. میزان فاز هیدروکسیآپاتیت نیز در کلسیمفسفاتهای دوفازی در محدوده 5 تا 17 درصد تغییر کرده است. نمونه تولید شده در محلول مایع شبیهسازی شده بدن قرار گرفت. نتایج نشان داد که با حضور بتاتریکلسیمفسفات ph محلول کاهش مییابد که خود گویای رفتار زیستتخریبپذیری آن است. همچنین جوانهزنی و رشد ذرات هیدروکسیآپاتیت بر روی نمونههای بتاتریکلسیمفسفات سنتز شده به کمک مایکروویو، پس از قرارگیری در محلول اس‌بی‌اف به مورفولوژی میلهایشکل رسیدند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Design, Analysis and Function Simulation of a Simple and Effective Driving Mechanism for Gait Trainer

نویسندگان [English]

  • Mohammad Salehi Amini 1
  • Siavash Kazemirad 1
  • Saman Mohammadi 2
  • Roya Narimani 3
  • Farzam Farahmand 4
1 M.Sc, Biomechanic Group, Faculty of mechanic Engineering, Sharif University
2 Phd Student, Faculty of mechanic and mechatronic, Waterloo University ,Canada
4 Professor, Biomechanic Group, Faculty of mechanic Engineering, Sharif University
چکیده [English]

The purpose of this study was to design, analyze and evaluate an effective low-cost driving mechanism for gait trainer. The crank-rocker mechanism was favored for reproducing the path of foot during gait cycle, considering the type of motion and design parameters such as adjustability for different anthropometries, providing sufficient space for interactions with physical therapist, and simplicity of execution. The dimensions of the mechanism were determined using optimization method while applying appropriate constraints so that the normal gait pattern, particularly of stance phase, was obtained. A 2-D model of the lower limb was developed to simulate the gait of a patient when using the mechanism. Results indicated that with appropriate positioning of the patient, the kinematic and kinetic patterns of the normal gait are reconstructed with no risk of injury. However, there is a high risk of injury of the knee articular surfaces and ligaments, if the patient is positioned only 3 cm higher than designed height.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Microwave irradiation
  • Hydroxyapatite
  • Betatricalcium Phosphate
  • Acid-Base Reaction
[1]      Wernig A.; Muller S.; Nanassy A.; Cagol E.: “Laufband Therapy Based on 'Rules of Spinal Locomotion' Is Effective in Spinal Cord Injured Persons”. European Journal of Neuroscience , Vol. 7,p.p. 823–829,1995.

[2]      Wernig A; Nanassy A; Muller S.: “Laufband (LB) Therapy in Spinal Cord lesioned Persons”. Prog Brain Res, Vol. 128, p.p. 89-97, 2000.

[3]      Hesse S.; Bertelt C.; Jahnke M.T.; Schaffrin A.; Baake P.; Malezic M.; Mauritz K.H.: “Treadmill Training with Partial Body Weight Support Compared with Physiotherapy in Nonambulatory Nemiparetic Patients”. Journal of Stroke, Vol. 26, p.p.  976–981, 1995.

[4]      Visintin M.; Barbeau H.; Korner-Bitensky N.; Mayo NE.: “A New Approach to Retrain Rait in Stroke Patients through Body Weight Support and Treadmill Stimulation”. Journal of Stroke, Vol. 29, p.p. 1122-1130, 1998.

[5]      MiyaiI.; Fujimoto Y.; Yamamoto H.; et al: “Long-term Effect of Body Weight-Supported Treadmill Training in Parkinson’s Disease: a Randomized Controlled Trial”. Arch Phys Med Rehabilitation, Vol. 83, p.p. 1370-1373, 2002

[7]      Sinikka H. Peurala, MSc, PT; Ina M. Tarkka, PhD; Kauko Pitkänen, MD, PhD; Juhani Sivenius, MD, PhD: “The Effectiveness of Body Weight–Supported Gait Training and Floor Walking in Patients With Chronic Stroke”. Arch Phys Med Rehabilitation, Vol. 86, p.p. 1557-1564, 2005.

[8]      Wernig A; Müller S : “Treadmill Locomotion with Body Weight Support in Persons with Severe Spinal Cord Injuries”. Paraplegia, Vol. 30, p.p 229-38, 1992.

[9]      Wernig A.; Nanassy A.; Muller S.: “Maintenance of Locomotor Abilities Following Laufband (Treadmill) Therapy in Para- and Tetraplegic Persons: Follow-up Studies”. Journal of Spinal Cord, Vol. 36, No. 11, p.p. 744-749, 1998.

[10]   Barbeau H.; Norman K.; Fung J.; Visintin M.; Ladouceur M.: “Does Neuro-Rehabilitation Play a Role in the Recovery of Walking in Neurological Populations?”. Annals of the New YorkAcademy of Sciences, Vol. 860, p.p. 377–392, 1998.

[11]   Barbeau H.; Wainberg M.; Finch L.: “Description and Application of A System for Locomotor Rehabilitation”. Med Biol Eng Comput., Vol. 25, p.p. 341-345, 1987.

[12]   Uhlenbrock D.; Sarkodie-Gyan T.; Reiter F.; Konrad M.; Hesse S.: “Development of a servo-controlled gait trainer for the rehabilitation of non-ambulatory patients”. Biomed Tech, Vol. 42, p.p. 196-202, 1997.

[13]   Hesse S.; Uhlenbrock D.; Sarkodie-Gyan T.: “Gait Pattern of Severely Disabled Hemiparetic Subjects on a New Controlled Gait Trainer as Compared to Assisted Treadmill Walking With Partial body Weight Support”. Clin Rehabil, Vol. 13, p.p 401-410, 1999.

[14]   Hesse S.; Werner C.; Bardeleben A.: “Electromechanical Gait Training with Functional Electrical Stimulation: Case Studies in Spinal Cord Injury”. Spinal Cord, Vol. 42, No. 6, p.p. 346-352, 2004.

[15]   Colombo G.; Joerg M.; Schreier R.; Dietz V.: “Treadmill Training of Paraplegic Patients Using A Robotic Orthosis”. Journal of Rehabilitation Research and Development, Vol. 37, p.p. 693–700, 2000.

[16]   Artobolevsky I.: “Mechanisms in Modern Engineering Design”, Vol 3. MIR Publishers, Moscow. English Translation, 1979.

[17]   Schmidt H.; Werner C.; Bernhardt R.; Hesse S.; Krüger J.: “Gait rehabilitation machines based on programmable footplates”. Journal of Neuro Engineering and Rehabilitation, Vol. 4, No. 2,  DOI 10.1186/1743-0003-4-2,  2007.

[18]   Colombo G.; Wirz M.; Dietz V.: “ Driven Gait Orthosis for Improvement of Locomotor Training in Paraplegic Patients”. Spinal Cord, Vol. 39, No. 5, p.p. 252-255, 2001.

[19]   http://www.lokohelp.com, November 2007.

[20]   Liu W.; Maitland M.E.: “The Effect of Hamstring Muscle Compensation for Anterior Laxity in the ACL-deficient Knee During Gait”. Journal of Biomechanics, Vol. 33, p.p. 871-879, 2000.

[22]   Akbari Shandiz M.; Farahmand F.; Noor Azuan Abu Osman N.A.; Zohoor H.: “A Robotic Model of Transfemoral Amputee Locomotion for Design Optimization of Knee Controllers”. International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 10, DOI: 10.5772/528552013, 2013.

[23]   Adaml C.; Eckstein F.; Milzi S.; Schulte E.; Becker C.; Putzl R: “The Distribution of Cartilage Thickness in the Knee Joints of Old-Aged Individuals Measurement by A-Mode Ultrasound”. Journal of Clinical Biomechanics, Vol. 13, No. 1, p.p. 1-10, 1998.

[24]   Li G.; Sakamoto M.; Chao E.Y.S.: “A Comparsion of Different Methods in Predicting Static Pressure Distribution in Articular Cartilage”. Journal of Biomechanics, Vol. 30, No. 6, p.p. 635-638, 1997.

[25]   Jafari A.; Farahmand F.; Meghdari A.: “The Effects of Trochlear Groove Geometry on Patellofemoral Joint Stability- A Computer Model Study”. Journal of Engineering in Medicine, VOL. 221, 2008

[26]   Hucuk H.: “The effect of modeling cartilage on predicted ligament and contact forces at the knee”. Journal of Computer and Biology in Medicine, Vol. 36, p.p. 363-375, 2006.

[27]   Rahemi H.; Farahmand F.; Rezaeian T.; Parnianpour M.: “Computer Simulation of Knee Arthrometry to Study the Effects of Partial ACL Injury and Tibiofemoral Contact”. Proceedings of the 30th Annual International Conference of the IEEE EMBS, p.p. 895-898, 2008.

[28]   Shelburne K.B.; Pandy M.G.; Andersonc F.C.; Torrya M.: “Pattern of Anterior Cruciate Ligament Force in Normal Walking”. Journal of Biomechanics, No. 37, p.p. 797-805, 2004.

[29]   Shelburne K.B.; Pandy M.G.; Torrya M.: “Comparsion of Shear Force and Ligament Loading in the Healthy and ACL-deficient Knee During Walking”. Journal of Biomechanics, No. 37, p.p. 313-319, 2004

[30]   Liu W.; Maitland M.E.: “The Effect of Hamstring Muscle Compensation for Anterior Laxity in the ACL-deficient Knee During Gait”. Journal of Biomechanics, Vol. 33, p.p. 871-879, 2000

[31]   Mills P.M.; Morrison S.; Lloyd D.G.; Barrett R.S.: “Repeatability of 3D Gait Kinematics obtained from an Electro Magnetic Tracking System During Treadmill Locomotion”. Journal of Biomechanics, Vol. 40, p.p. 1504-1511, 2007.

[32]   Valmassy R. L.: “Clinical Biomechanics of the Lower Extremities”. Mosby, 1996.