نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

• حسین رستمی باروجی ¹
• عبدالرضا اوحدی همدانی ²
• فرزاد توحیدخواه ³

¹ دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

² دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

³ دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

با وجود پیشرفت‌های گسترده در زمینه مطالعه بیومکانیک راه رفتن انسان، هنوز مدل راه رفتن مناسب با قابلیت شبیه‌سازی سیستم کنترل مغز انسان خصوصاً در حالت سه‌بعدی ارائه نشده است. اهمیت موضوع زمانی بیشتر می‌شود که شبیه‌سازی راه رفتن انسان یکی از نیازمندی‌های اصلی طراحان تجهیزات بیومکانیکی نظیر اندام‌های مصنوعی، ربات‌های پوشیدنی و ربات‌های انسان‌نما است. با توجه به محدودیت‌ها و پیچیدگی‌ مطالعات قبلی، در این تحقیق، یک مدل دینامیکی سه‌بعدی بر اساس کنترل‌کننده مد لغزشی (SMC) ارائه شده است که رفتار راه رفتن فرد سالم روی زمین را در مراحل مختلف حرکتی شبیه‌سازی می‌کند. در این تحقیق، بررسی جامع و تحلیلی از پیامدهای انتخاب ترتیب دوران سه‌بعدی سیستم مختصات مفاصل صورت گرفته است که با مدل دینامیک معکوس 11 درجه آزادی انجام شده است. بر اساس نتایج به دست آمده، کنترل کننده SMC با خطای حداقلی قادر به تولید راه رفتن سه‌بعدی انسان است. همچنین در تحلیل راه رفتن سه‌بعدی (آنالیز گیت)، این نتیجه حاصل شد که توالی چرخش کاردان مناسب دینامیک پیچیده راه رفتن سه‌بعدی نیست و باید از ترتیب YXZ استفاده کرد؛ چراکه بدون این تغییر، سینماتیک مفاصل متحمل پرش های غیرفیزیکی و خطای محاسبات خواهد شد. از نتایج این تحقیق می‌توان در طراحی و شبیه سازی سیستم کنترلی ربات‌های انسان‌نما، ربات های پوشیدنی، پروتزهای فعال و غیرفعال استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

• راه روی
• سه‌بعدی
• دینامیک
• مد لغزشی
• آنالیز گیت
• ترتیب دوران

موضوعات

• مدل‌سازی سیستم‌های اسکلتی عضلانی

عنوان مقاله [English]

A new approach in dynamic analysis of human 3D gait in the presence of sliding mode controller

نویسندگان [English]

• Hossein Rostami Barooji ¹
• Abdolreza Ohadi ²
• Farzad Towhidkhah ³

¹ Phd Student of Amirkabir University of Technology

² Mechanical engineering department, Amirkabir university of technology

³ Department of biomedical engineering, Amirkabir university of technology

چکیده [English]

Despite the extensive progress in the field of biomechanics of human gait, a suitable gait model with the ability to simulate the control system of the human brain has not yet been presented, especially in 3D mode. The importance of the issue increases when the simulation of human walking is one of the main requirements of designers of biomechanical equipment such as artificial organs, wearable robots and humanoid robots. Regarding the constraints and complexities of previous studies, in this research, a forward dynamic 3D model of gait based on sliding mode controller (SMC) is presented, which simulates the walking behavior of healthy individual on the ground in different movement phases. One of the strengths of this research is the comprehensive and analytical review of 3D rotation consequences of the joints coordinate systems, which is done with 11 DOF inverse dynamic model. Based on the obtained results, the SMC controller is well able to produce stable 3D human gait. Also, in 3D gait analysis, the Cardan rotation sequence is not suitable and YXZ order should be used. This outcome is a very useful result for 3D motion generation for human like walking pattern. The results of this study can be used in the design of humanoid robots, active and passive prostheses. Also, the presented model can simulate the walking of an amputee with a prosthesis and the role of the controller in the path, which is very important and beneficial in terms of rehabilitation.

کلیدواژه‌ها [English]

• Gait
• Walking
• Dynamic Modeling
• 3D Analysis
• Sliding Mode
• Rotation Sequence