Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

ادغام مدل‌سازی اسکلتی-عضلانی و الکترومایوگرافی سطحی به­کمک OpenSim به‌منظور تخمین مبتنی بر شبیه­سازی گشتاور زانو در کاربردهای توانبخشی حرکتی

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 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 داده­های ثبتی از 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 جلوسو، 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 به‌عنوان یک مطالعة اثبات مفهوم، راهکاری عملی و مقرون‌به‌صرفه برای تخمین گشتاور زانو مبتنی بر شبیه‌سازی ارائه می‌دهد و قابلیت بالقوه‌ای برای یکپارچه‌سازی در دستگاه‌های توانبخشی و پروتکل‌های ارزیابی بیومکانیکی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Integration of OpenSim Musculoskeletal Model with Surface EMG for simulation-based 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

Estimation of joint torque based on computational simulation 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 data from 2-channel sEMG recordings and knee angle measurements with a modified generic 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. This framework provides a practical, cost-effective, and scalable solution for simulation-based knee torque monitoring as a proof-of-concept, with potential for future 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
دوره 20، شماره 1
بهار 1405
صفحه 27-38

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