نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

• امیرحسین جوانفر ¹
• مهدی بامداد ²

¹ دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک و مکاترونیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود

² دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک و مکاترونیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود

چکیده

مدل سازی بیومکانیک مفاصل انسان، با توجه به اهمیت بالا و کاربرد آن، از دیر باز مورد توجه محققان بوده است، لذا همواره روش های مدل سازی مفاصل و تحلیل دینامیک حرکت انسان، در حال توسعه است. در این مقاله، مدل بیومکانیکی زانو توسعه داده شده است، و یک روش کلی برای تجزیه و تحلیل دینامیکی مسائل تماس در ترکیب با مدل اسکلتی عضلانی ارائه شده است، تا تحت شرایط بارگذاری واقعی رفتار مدل دینامیکی زانو ارزیابی شود. توسعه‌ی این مدل دینامیکی، شامل بیان هندسی منحنی‌های تماسی و الگوریتمی برای تعیین نقاط تصادم است. این مطالعه به محاسبه‌ی عمق نفوذ غضروف و نیروی تماس از طریق قانون تماس ناپیوسته‌ی غیرخطی می پردازد. بنابراین، حرکت نسبی استخوان ران و ساق از طریق نیروهای عکس العمل، شامل تماس دو زیر لایه ی تماسی غضروف و استخوان در زانو، مدل‌سازی می‌شود. علاوه بر این، مدل جدید منحنی برازش شده–صفحه، و مدل کره–صفحه، مقایسه شده‌اند، و یک تحلیل برای مواردی مانند آرتروز زانو، ارائه شده است. در پژوهش حاضر، حداکثر 12 درصد تفاوت در عمق نفوذ غضروف مفصل تیبیوفمورال داخلی، مشاهده شده است، که با توجه به ضرورت مدل سازی دقیق تر برای محاسبه گشتاور های زانو، این مساله از اهمیت برخوردار است. در مقایسه ی زانوی سالم و آرتروزی، مشاهده می کنیم که لزوما نیروی تماس در بیماران آرتروزی افزایش نمی یابد، بلکه کاهش ضخامت غضروف موجب پیدایش پدیده ی تماس استخوان-استخوان در فرآیند گام برداری می شود. میزان پیک عمق نفوذ در زانوی سالم 0.705 میلیمتر گزارش شده است. در حالی که این میزان برای زانوی 75% آرتروزی حدود 28 درصد کاهش می ِیابد. این روش پیشنهادی، با محاسبات نسبتا سریع و دقیق، ابزار مناسبی در تحلیل و کنترل مکانیزم های اسکلت خارجی می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

• دینامیک مستقیم
• ناپیوسته ی غیر خطی
• مدل تماس
• آرتروز
• مدل سازی اسکلتی عضلانی
• غضروف
• عمق نفوذ

موضوعات

• دینامیک و سینماتیک زیستی

عنوان مقاله [English]

Development of a planar multibody model of the knee joint with contact mechanics

نویسندگان [English]

• , Amirhosein Javanfar ¹
• Mahdi Bamdad ²

¹ Ph.D Student, School of Mechanical and Mechatronics Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran

² Associate Professor, Corrective Exercise and Rehabilitation Laboratory, School of Mechanical and Mechatronics Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran

چکیده [English]

Biomechanical modeling of human joints has been considered for a long time by researchers due to its high importance and application. Therefore, methods of modeling joints, and kinematic and dynamic analysis of human movement have continuously been developing. In this paper, a biomechanical human knee model is developed, and a generic procedure for dynamic analysis of contact problems in combination with the musculoskeletal model is introduced. The development of this knee dynamic model includes the geometric expression of collision curves and an algorithm for determining collision points. This presentation addresses cartilage penetration depth and contact force calculation through nonlinear discontinuous contact law. Therefore, the femur and tibia's relative motion is modeled through the combined collision reactions of cartilage and bone in the knee. Moreover, two knee models, the novel curve fitted-plane contact model, and the spherical-plane contact model, have been compared, and a personalized model has been developed for such cases as knee osteoarthritis. There is a difference (average 12%) between the results of the enhanced model and the sphere on the plane model in the cartilage penetration. In the simulation, maximum penetration depth in a healthy knee is reported to be 0.705mm, while in a 75% KOA is 0.521mm, including 0.5mm cartilage-cartilage contact and 0.021mm bone-bone contact. The contact force is not increased in KOA despite the general belief. The cartilage penetration depth exceeds cartilage thickness, and the bone-bone contact leads to pain. It is a suitable tool for the analysis and control of the auxiliary device in order to control the relative motion of the tibia femur and their separation in patients with osteoarthritis of the knee.

کلیدواژه‌ها [English]

• Nonlinear discontinuous
• contact law
• Osteoarthritis
• Musculoskeletal modeling
• Cartilage
• Penetration depth