خلاصه اختراع

امروزه راه رفتن براي تعداد زيادي از افراد جهان به امري مشكل تبديل شده است و شغل‌هاي بسياري وجود دارد كه موجب ايجاد ناراحتي‌هاي اسكلتي عضلاني در افراد مي‌شود از اينرو اين اگزواسكلت طراحي و ساخته شد.اگزواسكلت حالت آناتومي اندام را به خود مي‌گيرد و پيرو حركات طبيعي اندام مي‌شود و در چند نقطه به بدن كاربر متصل مي‌شود. خاصيت اصلاحي اگزواسكلت براي پوسچر حركتي اندام، كاهش تاثير عوامل نيرو و بار هم از طريق كمك به تسهيل عملكرد مفاصل با ارائه نيروي كمكي و هم از طريق انتقال بار فيزيكي به تنه وعضلات قوي‌تر انجام مي‌شود.اين اگزواسكلت دو حركت اكستنشن و فلكشن مفصل هيپ و زانو وحركات پلانتار فلكشن و دورسي فلكشن مچ پا را هم به خوبي شبيه سازي مي‌كند.اين اسكلت نيروي خود را از الكتروموتورهاي جريان مستقيم مي‌گيرد. اين موتورها دستور خود را از ميكروكنترلر نصب شده در مدار گرفته و به جك‌ها انتقال مي‌دهد .جك‌ها نيز با توجه به حالتي كه در آن قرار دارند و طبق زاويه تعريف شده حركت مي‌كنند.

حوزه کاربرد (زمینه فنی)

این اختراع در حوزه مهندسی مکانیک، مهندسي الكترونيک و مهندسي الكترونيک کاربرد دارد.

مشکل فنی موجود و هدف از این اختراع:

کشاورزی جز گسترده‌ترین و خطرناک‌ترین فعالیت‌های شغلی است که درحدود 63 درصد جمعیت کشورهای در حال توسعه به آن اشتغال دارند انجام وظایف این شغل باعث ایجاد وضعیت فیزیکی نامناسب از جمله: خم شدن، زانو زدن وپیچیدن به یک طرف و کار تکراری، می‌شود. به همین دلیل‌، اختلالات اسکلتی-عضلانی جز جدانشدنی این شغل بوده و تقریبا تمامی کشاورزان از آن رنج می برند افزایش راندمان عملیات مختلف کشاورزی یکی از مسائل مورد توجه در بخش کشاورزی است. لذا سعی می‌شود که از راه‌های مختلف از جمله افزایش بهره‌وری نیروی کار به این مهم دست یافت. یکی از عوامل تاثیرگذار بر بهره‌وری نیروی کار توجه به سلامت و بهداشت کاری افراد است. در حین انجام عملیات کشاورزی کمر و زانو جزء نقاطی هستند که بیشترین فشار را تحمل می‌کنند. زانو یکی از مهم‌ترین و پر کاربردترین مفصل‌های بدن است که نقش موثري در جابجایی انسان، تحمل وزن و جذب نیروهایی منتقل شده از زمین به انسان را دارد و اصلی‌ترین عضو در کنترل تعادل بدن، بلندکردن بدن است. این مفصل در معرض آرتروز و آسیب‌هایی از قبیل پارگی منیسک، رباط‌‌ صلیبی و… قرار دارد. در مواقعی که پا دچار انحراف زیاد یا درد است ترتیب فاز‌های راه رفتن و زمان آنها از بین می‌رود که به منظور بهبود حرکت پای انسان، ترکیبی از سنسورها، محرک‌ها و کنترلرها، در قالبی قابل پوشیدن بکار گرفته می‌شوند، تا با برقراری تعامل در مجموعه‌ای از رفتارها و حرکات به طور مستقیم با بدن انسان، ربات‌هایی را شکل دهند که برای رفع ناتوانی و نواقص بدن انسان بکار برده شوند. اینگونه ربات‌ها اگزواسکلتون و یا ربات‌های توانبخش نامیده می‌شود. اگزواسکلت حالت آناتومی اندام را به خود می‌گیرد و پیرو حرکات طبیعی اندام می‌شود و در چند نقطه به بدن کاربر اتصال دارد. خاصیت اصلاحی اگزواسکلت برای پوسچر حرکتی، اندام، کاهش تاثیر عوامل نیرو و بار هم از طریق کمک به تسهیل عملکرد مفاصل با ارائه نیروی کمکی و هم از طریق انتقال بار فیزیکی به تنه وعضلات قوی‌تر انجام می‌شود. لذا هدف از طراحی اگزواسکلت در گام اول حفظ تعادل بدن کشاورز يا شخص ناتوان و نيز مانع از خم شدن ناگهانی زانو او است. این مکانیزم توسط جک‌هایی که در آن بکار رفته می‌تواند انرژی مورد نیاز در راه رفتن را به حداقل برساند و گشتاور ایجاد شده در مفاصل را به حالت اولیه خود برگرداند. لذا برای کمک به افراد ناتوان و کشاورزانی که زانوی آن‌ها توانایی تحمل وزن بدن خود را در هنگام انجام عملیات کشاورزی ندارد و همچنین افرادی که راه‌رفتن برای آن‌ها به امری مشکل تبدیل شده، طراحی گردیده است.

ارایه راه حل برای مشکل فنی موجود همراه با شرح دقیق و کافی و یکپارچه اختراع

در سال‌های اخیر مطالعات زیادی بر روی راه رفتن انسان انجام شده است، این پژوهش‌ها برای درمان افرادی بكار رفته است که در راه رفتن دچار مشکل هستند. همچنين روش‌های مختلفی برای تحلیل نیروی‌های وارد بر مفاصل ران، زانو و مچ‌پای انسان انجام شده است. بررسی‌های بیومکانیکی مفصل زانو و مدلسازی سه بعدی آن با استفاده از روش‌های عکس‌برداری و آناتومی هندسه می‌تواند سینماتیک و مکانیک اتصال در این مفصل را مورد ارزیابی قرار دهد و با بررسی مدل استقرار و شرایط مختلف بارگذاری نیروهای ایجاد‌شده را تجزیه وتحلیل نمود. راه‌هاي مختلفي براي تعيين پارمترهاي مورد نظر در طراحي اگزواسكلت وجود دارد كه مي‌توان به شبيه سازي با نرم افزار متلب ، روش اجزاي محدود و داده‌برداري مستقيم اشاره نمود. استفاده از جعبه‌ابزار سیممکانیک متلب برای بدست آوردن گشتاور، نیرو، سرعت و زاویه مفاصل پا، یک روش مناسب، کامل، کم هزینه و با دامنه انتخابی زیاد است. بررسی نیروهای وارد شده در نقاط مختلف، تنش‌، کشش، گشتاور با استفاده از طراحی المان‌محدود آن سازه نيز روش ديگري جهت نيل به پارامترهاي مورد نظر است. همچنين وصل نمودن سنسورها بر روی پا و آنالیز راه رفتن در آزمایشگاه با استفاده از دوربین‌های مخصوص با سرعت بالا، از دیگر روش‌های تجزیه و تحلیل راه رفتن انسان است. جهت طراحي و بررسي طرح اوليه اگزواسكلت ابتدا چرخه راه‌ رفتن انسان شبيه سازي و با نرم افزار متلب مدل سازي شد. چرخه راه رفتن انسان از زمانی شروع می‌شود که انگشتان پا از روی زمین جدا و زمانی به اتمام می‌رسد که پاشنه با زمین برخورد کند( فاز شناوری). مدل هفت لینکی انسان در صفحه ساجیتال نشان داده شده است. مدل طراحی شده شامل بخش‌هاي کمر و پاها (شامل از ران، ساق و مچ) است. با استفاده از این مدل بر مبناي زاویه حرکتی مفاصل به عملگر، گشتاور مفاصل محاسبه می‌شود. جهت شبيه سازي مدل با استفاده از نرم افزار متلب، هر یک از اعضا بدن به صورت یک عضو صلب و هر مفصل بصورت لولایی با یک درجه آزادی در نظر گرفته می‌شود و از اصطکاک داخلی مفاصل و تغییر طول اعضاچشم‌پوشی شده است. برای حل مشکلات راه رفتن در افراد باید دستگاهی طراحی شود که علاوه بر کیفیت و وزن سبک بتواند چرخه راه رفتن را به خوبی شبیه سازی کند و قیمت ارزانی داشته باشد به طوری که برای تمامی اقشار جامعه قابل تهیه باشد. مکانیزم حركتي اين اگزواسكلت توسط جک‌هایی که در آن بکار رفته می‌تواند انرژی مورد نیاز در راه رفتن را به حداقل برساند و گشتاور ایجاد شده در مفاصل را به حالت اولیه خود برگرداند(جك حركت دهنده مفاصل هيپ و زانو). جک‌های تعبیه شده در این اسکلت با نیروی الکتریکی کار می‌کنند. این نیرو از طریق موتورهای جريان مستقيم به جک‌ها منتقل می‌شود. این اگزواسکلت دارای دو جک برای حرکت مفصل ران و زانو می‌باشد که جک ران در پشت و جک زانو در قسمت جلو قرار دارد. طول هر کدام از جک‌های ران و زانو به ترتیب 32 و 20 سانتیمتر است. به دلیل این که بازه گشتاور ایجاد شده در مفصل هیپ و مفصل زانو هم مثبت و هم منفی می‌باشد از جک‌های دو طرفه استفاده شده است. اگزواسکلت طراحی شده دارای 4 درجه آزادی است، یک درجه آزادی برای فلکشن و اکستنشن مفصل هیپ، یک درجه آزادی برای فلکشن و اکستنشن مفصل زانو و يك درجه آزادی برای فلکشن، اکستنشن مفصل مچ و يك درجه آزادي براي ابداکشن و ادداکشن مفصل مچ . کل ساختمان اگزواسکلت طراحی شده از آلمینیوم و وزن این سازه 5 کیلوگرم است. این اسکلت دارای یک مکانیزم نر و مادگی برای تنظیم طول ران وساق بوده، به گونه‌ای که پروفیل‌ آلمینیومی ماده با ابعاد 35*5*3 سانتیمتر برای استخوان ران و 25*5*3 سانتیمتر برای استخوان ساق و پروفیل نر با ابعاد 20*4*2 سانتیمتر برای هر دو استخوان  در نظر گرفته شده که به تنظیم طول کمک می‌کند برای شبیه‌سازی حرکات اکستنشن و فلکشن مفاصل پا از بلبرینگ در انتهای این مفاصل استفاده شده است.  به منظور برداشتن بار از روی کف پای انسان یک صفحه از جنس پلاستیک فشرده در این اگزواسکلت تعبیه شده است. قسمت انتهای این پلاستیک فشرده به صورت منحنی می‌باشد که فرد بتواند به راحتی به حرکت خود در فاز ایستاده ادامه دهد. کف پا نیز توسط لولا به مچ وصل شده است که می‌تواند حرکت ابداکشن و ادداکشن مچ پا را شبیه‌سازی کند. حرکت این اگزواسکلت به صورت پیش فرض (داده‌های بدست آمده در آزمایشگاه) به میکروکنترلر نصب شده داده شد و دو حالت راه رفتن و بالا رفتن از پله برای اسکلت تعریف شده که با انتخاب هر کدام از این حالت‌ها حرکت مناسب را انجام می‌دهد. شماتيك مدل شبيه‌سازي شده در نرم افزار متلب را نشان مي‌دهد كه به منظور محاسبه گشتاور و نيروي وارد بر قسمت‌هاي مختلف اگزواسكلت طراحي شده است. همچنين شكل‌هاي 10 الي 13 نيز نتايج حاصل از گشتاور و زاويه حركت و جابجايي پيستون جك‌هاي اگزواسكلت را در درو حالت آزمايشگاهي و مقايسه با نتايج واقعي نشان مي‌دهد. همانطور كه مشاهده مي‌شود تطابق زيادي بين نتايج داده‌هاي خروجي مي‌باشد.