شبیه سازی و برنامه‌ریزی گام حرکت برای پای بیونیک
محورهای موضوعی : یافته های نوین کاربردی و محاسباتی در سیستم های مکانیکیحمید رضا مرتضوی بنی 1 * , فاطمه یکتا آسائی 2 *
1 -
2 - گروه مهندسی پزشکی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد ارسنجان، ارسنجان، ایران
کلید واژه: طراحی پا, پای بیونیک, گام حرکت, نرم‌افزار متلب,
چکیده مقاله :
بدن حیوانات در طی میلیون‌ها سال برای سازگاری با محیط‌های طبیعی به شکل بهینه‌ای تکامل یافته است. با این حال، آسیب‌های شدید یا نقص عضو، بسیاری از آن‌ها را از حرکت طبیعی باز می‌دارد و کیفیت زندگی آن‌ها را به شدت کاهش می‌دهد. این پژوهش با هدف طراحی و توسعه یک پای بیونیک برای بازگرداندن توانایی‌های حرکتی حیوانات آسیب‌دیده انجام گردید. ابتدا با استفاده از تحلیل‌های کلینیکی و مطالعه رفتار حرکتی یک سگ، نیازهای فیزیولوژیکی آن شناسایی شد. سپس با مدل‌سازی دقیق در نرم‌افزار متلب، یک پای بیونیک طراحی گردید. شبیه‌سازی‌های دینامیکی نشان داد که ارتفاع گام و سرعت حرکت حیوانات تاثیر مستقیمی بر عملکرد پای بیونیک دارد. به طور خاص، نتایج نشان داد که یک ارتفاع گام بهینه میتواند بهترین تعادل بین نیروهای محرک و کنترل حرکت را فراهم نماید. در حالیکه افزایش بیشتر باعث کاهش توانایی کنترل و شتاب‌دهی می‌شود. همچنین، با افزایش سرعت حرکت، تولید نیروی پیش‌برنده کاهش یافت. این کاهش به دلیل افزایش گشتاور مورد نیاز برای شتاب‌دهی و کاهش شتاب پا است. نتایج نهایی نشان داد که پای بیونیک توسعه‌یافته میتواند توانایی‌های حرکتی طبیعی حیوانات را بازیابی کند. این فناوری نه تنها امکان بازگشت به فعالیت‌های روزمره مانند راه رفتن و دویدن را برای حیوانات آسیب‌دیده فراهم می‌کند، بلکه میتواند به حفظ گونه‌های نادر و در معرض خطر انقراض کمک شایانی کند. یافته‌های این پژوهش راه را برای بهبود فناوری‌های توان‌بخشی در حوزه مهندسی پزشکی هموار می‌سازد.
The animal body has evolved optimally over millions of years to adapt to natural environments. However, severe injuries or limb defects prevent many of them from natural movement and greatly reduce their quality of life. This research aimed to design and develop a bionic leg to restore the locomotor abilities of injured animals. First, using clinical analyses and studying the locomotor behavior of a dog, its physiological needs were identified. Then, with detailed modeling in MATLAB software, a bionic leg was designed. Dynamic simulations showed that the height of the step and the speed of the animals' movement have a direct impact on the performance of the bionic leg. In particular, the results showed that an optimal step height can provide the best balance between driving forces and movement control. At the same time, a further increase reduces the ability to control and accelerate. Also, as the movement speed increases, the propulsive force generation decreases. This reduction is due to the increase in torque required for acceleration and the reduction in the deceleration of the leg. The final results showed that the developed bionic leg can restore the animals' natural locomotor abilities. This technology not only allows injured animals to return to daily activities such as walking and running, but it can also contribute to the conservation of rare and endangered species. The findings of this research pave the way for improving rehabilitation technologies in the field of biomedical engineering.
[1] Da, Z., Sifan, S., Jionglong, S., Jiang, Z., Zhang, J., (2020). Learning bionic motions by imitating animals. IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA).
[2] Wu, J., Guo, L., Yan, S., Li, Y., Yao, Y., (2021). Design and performance analysis of a novel closed-chain elastic-bionic leg with one actuated degree of freedom. Doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2021.104444.
[3] Wang, L.W., Song, K.K., Zhao, F., Du, W.L., Wang, X.J., (2016). Design of the single leg of the quadruped bionic robot with jumping. 3rd Annual International Conference on Mechanics and Mechanical Engineering (MME 2016), Atlantis Press.
[4] Ma, X., Liu, J., Zhang, S., Deng, J., Liu, Y.,(2023). Recent trends in bionic stepping piezoelectric actuators for precision positioning: A review. DOI:10.1016/ j.sna.2023.114830.
[5] Marucci, M., Maddaluno, O., Ryan, CP., Perciballi, C., Vasta, S., Ciotti, S., Alessandro Moscatelli, A ., Betti, V., (2024). Rewiring the evolution of the human hand: How the embodiment of a virtual bionic tool improves behavior. iScience. Doi.org/ 10.1016/j.isci.2024.109937.
[6] Nie, D., Zhang, P., Gao, G., Gu, J., (2022). Effect Analysis of Elastic Components on Jumping Performance of Bionic Leg. Doi.org/10.1016/j.procs.2022.10.099.
[7] Nie, H., Sun, R., Guo, C., Qin, G., Yu, H., (2015). Innovative Design and Performance Evaluation of a High-speed Bionic Mechanical Leg. Doi.org/10.1016/S1672-6529(14)60127-X.
[8] Ren, K., Yu, J., (2021). Research status of bionic amphibious robots: A review. Doi.org/10.1016/j.oceaneng.2021.108862.
[9] Wang, J., Zheng, J., Zhao, Y., Yang, K., (2024). Structure design and coordinated motion analysis of bionic crocodile robot. Doi.org/10.1016/j.birob.2024.100157.
[10] Wang, L.W., Zhang, W.W., Wang, T.H., Wang, C.D., Meng, F.N., (2020). Design and simulation of a single leg of a jumpable bionic robot with joint energy storage function. Doi.org/10.1016/j.procs.2020.02.092.
[11] Zhang, L., Zhai, Y., Chen, J., Zhang, Z., Huang, S,. (2022). Optimization design and performance study of a subsoiler underlying the tea garden subsoiling mechanism based on bionics and EDEM. Doi.org/10.1016/j.still.2022.105375.
[12] Zhang, R., Pang, H., Ji, Q., Li, G., Dong, W., Wen, L, Li, J., (2020) .Structure design and traction trafficability analysis of multi-posture wheel-legs bionic walking wheels for sand terrain. Doi.org/10.1016/j.jterra.2020.05.001.
[13] Li, Q., Chen, T., Chen, Y., Wang, Z., (2023). An underwater bionic crab soft robot with multidirectional controllable motion ability. Doi.org/10.1016/j.oceaneng.2023.