مدل‌سازی دینامیکی بار وارد بر مفاصل ران و مچ پا، هنگام کار با سمپاش پشتی موتوری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی لاتین

نویسندگان

• صدیقه کریمی آورگانی ¹
• علی ملکی ²
• شاهین بشارتی ³
• رضا ابراهیمی ⁴

¹ دانشجوی کارشناسی ارشد گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

² دانشیار و عضو هیات علمی گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

³ گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

⁴ استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران

https://doi.org/10.22067/jam.2023.82788.1171

چکیده

هدف اصلی این مقاله توسعه یک مدل دینامیک هفت لینکی از بدن اپراتور در هنگام کار با سمپاش کوله‌پشتی موتوری است. این مدل شامل مختصات سمپاش نسبت به بدن، اینرسی چرخشی سمپاش، گشتاور ماهیچه‌ای وارد بر روی مفاصل و یک کوپلینگ سینماتیکی است که تعادل بدن را بین دو پا حفظ می‌کند. توابع قید تعیین شدند و معادلات دیفرانسیل غیرخطی حرکت توسط معادلات لاگرانژ استخراج گردیدند. نتایج نشان می‌دهد که در ابتدا و انتهای مرحله شناوری، تغییرات نامطلوب نیروی مفصل مچ پا قابل‌توجه است. بنابراین، آسیب مچ پا به دلیل قرار گرفتن در معرض ارتعاش احتمال بیشتری دارد. سپس اثرات دور موتور و جرم سمپاش بر نیروهای مفصل ران و مچ پا بررسی شد. نتایج نشان داد که دور موتور و جرم سمپاش اثرات قابل‌توجهی بر نیروهای مفصل ران و مچ پا دارد و می‌تواند به‌عنوان پارامترهای کنترلی موثر مورد استفاده قرار گیرد. همچنین، نتایج آنالیز نشان می‌دهد که با افزایش دور موتور، فرکانس نیروی مفصل ران افزایش می‌یابد. با این حال، اثرات قابل‌توجهی بر فرکانس نیروی مفصل مچ پا مشاهده نشده است. نتایج به‌دست‌آمده از این تحقیق می‌تواند راه‌کارهایی را به محققان در برآورد ساعات کار مجاز با سمپاش‌های کوله‌پشتی موتوری، طراحی پروتز و محاسبات نیرویی ایمپلنت‌های ران در آینده ارائه دهد.

کلیدواژه‌ها

• اپراتور
• ارتعاش
• معادله لاگرانژ
• وزن سمپاش

موضوعات

• مدل‌سازی

©2023 The author(s). This is an open access article distributed under Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0).

مراجع

1. Alamoudi, M., Travascio, F., Onar-Thomas, A., Eltoukhy, M., & Asfour, S. (2018). The effects of different carrying methods on locomotion stability, gait spatio-temporal parameters, and spinal stresses. International Journal of Industrial Ergonomics, 67, 81-88. https://doi.org/10.1016/j.ergon.2018.04.012
2. Astephen, J. L., Deluzio, K. J., Caldwell, G. E., & Dunbar, M. J. (2008). Biomechanical changes at the hip, knee, and ankle joints during gait are associated with knee osteoarthritis severity. Journal of Orthopaedic Research, 26(3), 332-341. https://doi.org/10.1002/jor.20496
3. Correa, T. A., Crossley, K. M., Kim, H. J., & Pandy, M. G. (2010). Contributions of individual muscles to hip joint contact force in normal walking. Journal of Biomechanics, 43(8), 1618-1622. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2010.02.008
4. D'Souza, A. F., & Garg, V. K. (1984). Advanced dynamics: modeling and analysis. Prentice Hall.
5. Greenwood, D. T. (1988). Principles of dynamics(pp. 224-226). Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall.
6. Huang, Y., Wang, Q., Chen, B., Xie, G., & Wang, L. (2012). Modeling and gait selection of passivity-based seven-link bipeds with dynamic series of walking phases. Robotica, 30(1), 39-51. https://doi.org/10.1017/S0263574711000397
7. Jena, S., Kumar, A., Singh, J. K., & Mani, I. (2016). Biomechanical model for energy consumption in manual load carrying on Indian farms. International Journal of Industrial Ergonomics, 55, 69-76. https://doi.org/10.1017/S0263574711000397
8. Karimi Avargani, S., Maleki, A., Besharati, S., & Ebrahimi, R. (2020). Muscle moment and angle of hip, knee and ankle joints in a seven-link model of backpack sprayer operator. Iranian Journal of Ergonomics, 8(3), 36-47. https://doi.org/10.30699/jergon.8.3.36
9. Kim, Y., Lee, K. M., & Koo, S. (2018). Joint moments and contact forces in the foot during walking. Journal of biomechanics, 74, 79-85. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2018.04.022
10. Kouchakzadeh, A., & Beigzadeh, Y. (2015). Permitted working hours with a motorised backpack sprayer. Biosystems Engineering, 136, 1-7. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2015.05.005
11. Kuo, A. D. (2001). A simple model of bipedal walking predicts the preferred speed–step length relationship. Journal of Biomechanical Engineering, 123(3), 264-269. https://doi.org/10.1115/1.1372322
12. Lim, H., & Park, S. (2018). Kinematics of lower limbs during walking are emulated by springy walking model with a compliantly connected, off-centered curvy foot. Journal of Biomechanics, 71, 119-126. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2018.01.031
13. Liu, B. S. (2007). Backpack load positioning and walking surface slope effects on physiological responses in infantry soldiers. International Journal of Industrial Ergonomics, 37(9-10), 754-760. https://doi.org/10.1016/j.ergon.2007.06.001
14. Ma, X., Xu, J., Fang, H., Lv, Y., & Zhang, X. (2022). Adaptive Neural Control for Gait Coordination of a Lower Limb Prosthesis. International Journal of Mechanical Sciences, 215, 106942. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106942
15. Ma, X., Xu, J., & Zhang, X. (2023). Bilateral constrained control for prosthesis walking on stochastically uneven terrain. International Journal of Mechanical Sciences, 239, 107896. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2022.107896
16. Maletsky, L. P., & Hillberry, B. M. (2005). Simulating dynamic activities using a five-axis knee simulator. Journal of Biomechanical Engineering, 127, 123-133. https://doi.org/10.1115/1.1846070
17. Martin, A. E., & Schmiedeler, J. P. (2014). Predicting human walking gaits with a simple planar model. Journal of Biomechanics, 47(6), 1416-1421. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2014.01.035
18. Sharbafi, M. A., & Seyfarth, A. (2015, May). Mimicking human walking with 5-link model using HZD controller. In 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA)(pp. 6313-6319). IEEE. https://doi.org/10.1109/ICRA.2015.7140086
19. Tlalolini, D., Chevallereau, C., & Aoustin, Y. (2010). Human-like walking: Optimal motion of a bipedal robot with toe-rotation motion. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 16(2), 310-320. https://doi.org/10.1109/TMECH.2010.2042458
20. Walsh, G. S., Low, D. C., & Arkesteijn, M. (2018) Effect of stable and unstable load carriage on walking gait variability, dynamic stability and muscle activity of older adults. Journal of Biomechanics, 73, 18-23. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2018.03.018
21. Weiss, P. L., Kearney, R. E., & Hunter, I. W. (1986). Position dependence of ankle joint dynamics—I. Passive mechanics. Journal of Biomechanics, 19(9), 727-735. https://doi.org/10.1016/0021-9290(86)90196-X
22. Wisse, M., Schwab, A. L., & van der Helm, F. C. (2004). Passive dynamic walking model with upper body. Robotica, 22(6), 681-688. https://doi.org/10.1017/S0263574704000475