Simulation of Human Foot Mechanism with a Degree of Freedom Motion

محورهای موضوعی : فصلنامه شبیه سازی و تحلیل تکنولوژی های نوین در مهندسی مکانیک

دامون بختیاریان ¹ (دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مکانیک، دانشگاه شهرکرد)
هادی همایی ² (دانشیار، دانشکده مکانیک، دانشگاه شهرکرد)
امین ملکی زاده ³ (دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی، دانشگاه امیرکبیر)
مراد شهبازی تک آبی ⁴ (کارشناس ارشد، فارق التحصیل دانشگاه امیر کبیر)

تاریخ دریافت : 1394/08/13 تاریخ پذیرش : 1394/08/13 تاریخ انتشار : 1393/10/01

کلید واژه: Human foot biomechanics, Inactive dynamics, Six-bar mechanism, particle swarm optimization algorithm, Kinematic analysis,

چکیده مقاله :

The need for simulation of human foot mechanism has made researchers and engineers move towards different patterns to describe this movement. In this regard, optimal solutions such as energy consumption, accuracy, etc. are of utmost importance. In this paper, efforts have been made to present a new solution by designing a fully two-dimensional six-bar mechanism with one degree of freedom so that it has the least error with regard to human foot while walking. Meanwhile, the findings of this paper present a process for the optimization of multi-bar mechanisms so that they can be employed in any other field such as making human foot prosthesis. Here, the particle swarm optimization algorithm was used. The results from the optimization were compared with experimental data regarding human feet. The results show that while optimizing many motor parameters, the proposed six-bar mechanism is able to simulate the movement of the human foot very well.

چکیده انگلیسی:

نیاز به شبیه سازی الگوی حرکت پای انسان محققان و مهندسان را به سوی ارائه الگوهای متفاوت برای توصیف این حرکت کرده است. در این میان راه حل های بهینه از لحاظ مصرف انرژی و دقت و غیره از اهمیت بالایی برخوردارند. در این مقاله تلاش شده تا با طراحی یک مکانیزم کاملا دو بعدی شش میله ای با یک درجه آزادی به گونه ای که کمترین خطا را با حالت طبیعی راه رفتن پای انسان داشته باشد، راه حل جدیدی ارائه داده شود . ضمن اینکه یافته های این مقاله فرآیندی برای بهینه سازی مکانیزم های چندمیله ای ارائه می کند تا بتوان آن را در هر زمینه ی دیگری مانند ساخت پروتز پای انسان بکار برد. در اینجا از الگوریتم بهینه­سازی اجتماع ذرات استفاده شد. نتایج کار حاصل از بهینه سازی با داده های آزمایشگاهی پای انسان مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد که مکانیزم شش میله ای پیشنهادی، ضمن بهینه کردن بسیاری از پارامترهای حرکتی به خوبی قادر به شبیه سازی حرکت پای انسان است.

منابع و مأخذ:

 

[1]     Batayneh, W., Al-Araidah, O., Mattson, C.A., Ismail-Yahaya A., Design and Implementation of Human-Like Biped Walking Mechanism. The Third International Conference in Mechatronics, Kuala Lumpur, Malaysia, 2008.

[2]     Cavanagh PR.,The mechanics of distance running: a historical perspective, Champaign, IL, Human Kinetics Publishers; Chapter 1, 1990, pp.1–34.

[3]     Rose J., Gamble J.G., Human Walking, 3rd Edition, Lippincott Williams & Wilkins, 2006.

[4]     Hobson D.A., Torfason L.E., Optimization of four-bar knee mechanisms – A computerized approach, Journal of Biomechanics, Vol. 7, No. 4, 1974, pp. 371–376.

[5]     Sangwan V., Taneja A., Mukherjee S., Design of a robust self-excited biped walking mechanism, Mechanism and Machine Theory, Vol. 39, 2004, pp. 1385–1397.

[6]     Collins S.H., Ruina A.L., Tedrake R., Wisse M., Efficient bipedal robots based on passive passivedynamic Walkers. Science magazine, Vol. 307, 2005, pp. 1082-1085.

[7]     McGeer T., Passive dynamic walking. International Journal of Robotics Research, Vol. 9, No. 2, 1990, pp. 62-82.

[8]   Neumann D.A., Kinesiology of the Musculoskeletal System: Foundations for Rehabilitation, 2nd Edition, 2010.

[9]     L.D.S. Coelho, A quantum particle swarm optimizer with chaotic mutation operator，Chaos, Solitons and Fractals，Vol. 37，No. 5, 2008, pp. 1409- 1418.

[10]  Poli R., Kennedy, J., Blackwell, T., Particle swarm optimization An overview, s.l.，Springer Science，2007,pp. 33–57，Swarm Intell．