Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

ادغام مدل‌سازی اسکلتی-عضلانی با OpenSim و الکترومایوگرافی سطحی به‌منظور تخمین برخط گشتاور زانو در کاربردهای توانبخشی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار گروه مهندسی مکاترونیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز

2 گروه مهندسی مکاترونیک، دانشگاه تبریز

10.22041/ijbme.2026.2093504.2044
چکیده
تخمین دقیق گشتاور مفصلی برای کنترل و ارزیابی سیستم‌های توانبخشی فعال ضروری است. از یک سو، الکترومایوگرافی سطحی ابزاری غیرتهاجمی برای ثبت فعالیت عضلانی فراهم می‌آورد، و از سوی دیگر، مدل‌سازی اسکلتی-عضلانی امکان تخمین گشتاورهای داخلی مفاصل را بدون نیاز به دینامومترهای پرهزینه میسر می‌سازد. در پژوهش حاضر، یک چارچوب یکپارچه ارائه می‌شود که ثبت‌های برخط الکترومایوگرافی دوکاناله و اندازه‌گیری زاویۀ مفصل زانو را در ترکیب با یک مدل اسکلتی-عضلانی در نرم‌افزار اُپن‌سیم ترکیب کرده و با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک پیش‌رو، ابتدا نیروهای عضلانی منفرد و سپس گشتاور خالص اکستانسوری زانو را تخمین می‌زند. مقادیر تخمین‌شده‌ی گشتاور بیشینه (حدود ۲۵ نیوتن‌متر)، ضربۀ زاویه‌ای (حدود ۵۰ نیوتن‌متر·ثانیه) و گشتاور میانگین (حدود ۵/۱۲ نیوتن‌متر) با دامنه‌های فیزیولوژیک گزارش‌شده در منابع همخوانی داشتند. چارچوب پیشنهادی راهکاری عملی، مقرون‌به‌صرفه و مقیاس‌پذیر برای پایش برخط گشتاور زانو فراهم می‌آورد و قابلیت قابل‌توجهی برای یکپارچه‌سازی در دستگاه‌های توانبخشی حسگر محور و پروتکل‌های ارزیابی بیومکانیکی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Integration of OpenSim Musculoskeletal Modeling with Surface EMG for Real-Time Knee Torque Estimation in Rehabilitation Applications

نویسندگان English

MohammadReza Sayyed Noorani 1
Maria Vaziry 2
1 University of Tabriz
2 Department of Mechatronics Engineering, University of Tabriz
چکیده English

Accurate estimation of joint torque is essential for the control and evaluation of active rehabilitation systems. While surface electromyography (sEMG) offers a non-invasive measure of muscle activation, musculoskeletal modeling enables the estimation of internal joint moments without reliance on costly dynamometers. In this study, we present an integrated framework that combines real-time 2-channel sEMG recordings and knee angle measurements with a subject-specific OpenSim musculoskeletal model of the seated leg, interfaced through MATLAB. Experimental data from a healthy participant were used to drive the model, estimate individual muscle forces, and compute the net knee extension torque. To this end, a forward dynamic simulation framework, where the muscle-driven excitations were derived from the measured sEMG signals to actuate the knee extensors and flexors in the OpenSim model. The estimated peak torque (~25 N·m), angular impulse (~50 N·m·s), and average torque (~12.5 N·m) were found to be consistent with physiological ranges reported in the literature. The proposed framework provides a practical, cost-effective, and scalable solution for real-time knee torque monitoring, with significant potential for integration into sensor-driven rehabilitation devices and biomechanical assessment protocols.

کلیدواژه‌ها English

Knee Torque Estimation
Active Rehabilitation
Forward Dynamic Model
EMG-Driven Simulation
OpenSim/MATLAB API

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 21 مرداد 1405

  • تاریخ دریافت 14 تیر 1405
  • تاریخ بازنگری 17 مرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 21 مرداد 1405