نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

• داوود نادری ¹
• محسن صادقی مهر ¹
• نادر فرهپور ²
• بهنام میری‌پور فرد ³

¹ استادیار گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه بوعلی سینا

² دانشیار گروه تربیت بدنی و علوم ورزشی، دانشکده ادبیات، دانشگاه بوعلی سینا

³ دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه بوعلی سینا

چکیده

شناخت واکنش های حرکتی انسان علاوه بر کاربردهایی رایج در رباتیک و گرافیک کامپیوتری، به محققان این امکان را می دهد که با تشریح و بررسی دقیق عکس العمل ها، ضمن کسب اطلاعات کاملی از فرایند حفظ پایداری و روند وقوع حرکت، الگوهای حرکتی مناسب و بهینه ای برای تقویت سیستم عصبی- عضلانی و کمک به حفظ پایداری انسان، پیشنهاد کنند. در این مقاله به دو روش فرضیه ای و تجربی به بررسی پایداری انسان در برابر اغتشاش ناپایدار کننده ای به صورت دوران سطح زیر پا، پرداخته شده است. در روش فرضیه ای با در نظر گرفتن یک مدل رباتیکی چهار لینکی برای انسان و حل معادلات سینماتیکی و دینامیکی مدل با در نظر گرفتن اغتشاش خارجی، سعی شد به روش بهینه سازی و بر اساس معیار پایداری نقطه ممان صفر، الگوهای حرکتی برای حفظ پایداری انسان تعیین شود. در روش تجربی به منظور مشاهده عکس العمل واقعی انسان به اغتشاش دوران سطح زیر پا، دستگاه اعمال کننده اغتشاش دورانی طراحی و ساخته و آزمایش هایی بر روی 10 فرد سالم انجام شد. با اجرای این آزمایش ها واکنش سینماتیکی انسان به اغتشاش ناپایدار کننده سطح زیر پا به وسیله دوربین های فرکانس بالا ضبط شد. پس از پردازش داده ها، مشاهدات تجربی با محاسبات فرضیه حاصل از روش بهینه سازی مقایسه شدند. بررسی نتایج دو روش- با نمایش انطباق خوب نتایج تجربی و فرضیه ای- توانایی بسیار بالای روش مدلسازی و بهینه سازی در تعیین واکنش های حرکتی انسان را نشان داد. همچنین نتایج هر دو روش نشان داد که سیستم کنترل عصبی- عضلانی انسان به طور عمده استراتژی مچ پا را برای حفظ پایداری در برابر دوران سطح زیر پا فراخوانی می کند. بنابراین تقویت مفصل مچ و عضلاتی که در بکارگیری استراتژی مچ نقش کلیدی دارند یک گام مهم در جلوگیری از افتادن افراد سالخورده در اثر چنین اغتشاشی خواهد بود.

کلیدواژه‌ها

• پایداری انسان
• پایه دوران کننده
• صفحه ساجیتال
• مدلسازی
• بهینه سازی
• سیستم تحلیل گر حرکت

موضوعات

• آنالیز حرکت انسان
• بیومکانیک ستون مهره‌ها
• کنترل حرکت انسان
• مدل‌سازی حرکت انسان
• مهندسی عصبی عضلانی

عنوان مقاله [English]

Experimental and Theoretical Investigation of Human Stability under Tilting Base Plate in the Sagittal Plane

نویسندگان [English]

• Davoud Naderi ¹
• Mohsen Sadeghi Mehr ¹
• Nader Farahpour ²
• Behnam Miripour-Fard ³

¹ Assistant Professor, Mechanical Engineering Department, Engineering School, Bu-Ali Sina University

² Associate Professor, Physical Education and Sport Science Department, Literature and Humanities School, Bu-Ali Sina University ,

³ M.Sc Student of Mechanical Engineering, Engineering School, Bu-Ali Sina University

چکیده [English]

Cognition of human postural responses can provide valuable insight on the control of stability. Researchers can use this finding to design rehabilitation exercises to improve the patients, balance. This study was done with the aim of conducting theoretical and experimental investigations on human response to tilting base plate in the sagittal plane. A four-segment model with three degrees of freedom was used as a biomechanical model of human body and its motion was studied in the sagittal plane. The postures of model were found by optimization technique such that the stability of model to be optimum. Zero moment point stability criterion was applied to find the optimum posture against the tilting base plate. To verify the theoretical results experimentally, the stability measure device was designed and manufactured. In several trials, the responses of ten male healthy persons standing on a tilting platform under perturbations were recorded by using the motion analysis system. Through data analysis, the response of each subject was surveyed and the experimental and theoretical results were compared. Both the experimental and theoretical results showed that the human central nervous system evokes the ankle strategy to keep its balance under tilting base plate conditions. A good coincident between the experimental results and theoretical predictions was observed, indicating that the model basis optimization method can be well relied upon to predict the human joints angle trajectories in response to base plate tilting. 

کلیدواژه‌ها [English]

• Human stability
• Tilting platform
• Sagittal plane
• dynamic modeling
• Optimization
• Motion analysis system