طرح دانشجویی : اسکلت بیرونی یک پا برای قربانیان همی پارزی یا فلج یک سوی بدن

هدف این طرح طراحی و ساخت اسکلت بیرونی پا برای قربانیان سکته مغزی بوده است. به خصوص افرادی که از همی‌پارزی رنج می‌برند. تمرین با این وسیله سبب بهبود حرکات کاربر می‌شود. هرچند اسکلت‌های بیرونی بسیاری برای دستکاری قدرت کاربران و سایر کارها وجود دارد، این پژوهش به طور خاص روی فلج یک طرفه بدن بر اثر سکته مغزی تمرکز دارد. این وسیله با وارد کردن گشتاور مناسب به کاربر کمک می‌کند جلو برود، پای خود را پیش بگذارد و دامنه حرکتی خود در شرایط سلامت را تجربه کند. در ادامه این مقاله از مجله فناوری‌های توان افزا و پوشیدنی به معرفی طرح این اسکلت بیرونی خواهیم پرداخت.

اسکلت بیرونی پا برای قربانیان سکته مغزی: کابل‌های انتقال نیرو و گشتاور، قرقر‌ه‌ها و قسمت‌های منعطف(رنگ سیاه) در این تصویر نشان داده شده است.

Noah Garcia دانشجوی مهندسی مکانیک در دانشگاه Nebraska است. وی در تابستان ۲۰۲۱ با همراهی استاد خود، دکتر Carl Nelson، به طراحی اسکلت بیرونی پا برای قربانیان همی‌پارزی پرداخته است.

همی پارزی چیست؟

همی‌پارزی یا Hemiparesis از دست دادن قدرت عضلانی به صورت نسبی در یک طرف بدن است. این وضعیت بر اثر شرایط مختلف مانند بیماری‌های موروثی، دیستروفی، مشکلات نخاع، مشکلات و آسیب‌های روحی، ضایعات مغزی مانند تومور و سکته ایجاد می‌شود. در ادامه این نوشتار روی ضعف عضلات یک سمت بدن بر اثر سکته متمرکز خواهیم بود.

در صورتیکه ضعف عضلانی متوسط تا ضعیف باشد راه رفتن فرد نوعی عدم تقارن را نشان می‌دهد که می‌تواند سبب آسیب دراز مدت و ناتوانی شود. بیماران Hemiparesis از دستگاه‌های توان افزا، واکر و عصا استفاده می‌کنند. واکرها کمی جاگیر و سنگین هستند و در راه رفتن با عصا باید برای حفظ تعادل مراقبت کرد. توجه به این نکته لازم است که تکیه به این وسایل برای راه رفتن عدم تقارن در بدن را بیشتر می‌کند. به همین دلیل دانشمندان به سراغ پژوهش روی اسکلت‌های بیرونی می‌روند.

اسکلت های بیرونی سخت و نرم

اسکلت‌های بیرونی سخت از فلز و پلاستیک ساخته می‌شوند. مواد سخت هم البته سنگین و حجیم هستند و اینرسی زیادی دارند. مواد سخت گشتاور زیادی تولید می‌کنند که می‌تواند جایگزین گشتاور بدن شود. برای بیماران با درجه بالای از کارافتادگی که توانایی راه رفتن به خودی خود را ندارند این وسایل استفاده می‌شوند. اسکلت‌های بیرونی سخت هزینه زیادی دارند و در بیشتر مواقع تنها در مراکز توانبخشی در دسترس هستند، و برای استفاده شخصی گستردگی زیادی ندارند.

جایگزین اسلکت‌های بیرونی سخت اسکلت‌های بیرونی نرم هستند. اسکلت‌های بیرونی نرم بیشتر از پارچه و منسوجات ساخته می‌شوند. انعطاف پذیری این وسایل به دلیل مواد به کار رفته در آن‌ها زیاد است. همچنین اینرسی اندک و تولید گشتاور پایین‌تر از اسکلت‌های بیرونی سخت از ویژگی‌های لباس‌های برون‌پوش نرم است. این وسایل برای دستکاری در توان بدن یک فرد سالم به کار می‌روند و برای بیماران دارای ناتوانی فیزیکی همیشه مناسب نیستند. به خصوص برای تغییر الگوی راه رفتن بیماران. به همین دلیل Noah Garcia تصمیم به طراحی یک اسلکت بیرونی برای یک پا گرفت که به مبتلایان به همی‌پارزی در چرخه راه رفتن کمک کند.

جزئیات طرح اسکلت بیرونی پا برای قربانیان سکته مغزی و همی پارزی

برای طراحی این وسیله از SolidWorks برای شبیه شازی سه بعدی اسکلت بیرونی پا استفاده شده است تا بهینه‌ترین مدل ممکن بر اساس پارامترهای مورد نظر بدست آید. سامانه عملگری این دستگاه یک موتور DC brushless planetary gear است که گشتاور زیادی تولید می‌کند و کوچک هستند. برای تولید نیرو و انتقال آن به دستگاه از نیروهای کششی بهره برده می‌شود که با یک کابل اتصال کار می‌کند. این کابل به یک موتور دوار وصل است. این نیرو شبیه چیزی است که در دسته‌های چرخان قلاب‌های ماهیگیری وجود دارد و هنگام کشیدن ماهی به سمت ماهیگیر از آن استفاده می‌شود. این قسمت به همراه کابل‌ها و نیروهای آن در شکل ۴ دقیقه ۴:۳۲ از فیلم این نوشتار وجود دارد. نیرو به وسیله کابل‌های تحت کشش منتقل می‌شود. برای اینکه اجزای دستگاه نسبت به هم ثابت بماند و پا به بالا کشیده نشود، کل قسمت‌های دستگاه به یکدیگر متصل شده است.

DC brushless planetary gear motor
DC brushless planetary gear motor

گشتاور

برای پخش کردن گشتاور در دستگاه و چرخانیدن پا از قرقره استفاده می‌شود. گشتاور با کشش ایجاد می‌شود. سپس به کمک دو قرقره که در قسمت ران قرار دارد منتقل می‌شود. قسمت‌های سخت دستگاه گشتاور را به صورت مساوی روی دستگاه پخش می‌کند و بیمار در دستگاه احساس راحتی بیشتری دارد.

در مرحله بعد جذب و آزادی انرژی مهم است. نیروهای تنشی و کرنشی با مواد انعطاف‌پذیر جذب یا آزاد می‌شود. این قسمت‌ها در شکل با رنگ سیاه روی زانو و قوزک پا مشخص شده است. قسمت‌های انعطاف‌پذیر همچنین نیروی لازم را کاهش می دهند.

پژوهش های آینده

در آینده طراحی این دستگاه قصد دارد طراحی ماشین بهینه کند. قسمت‌هایی برای راحتی بیشتر کاربر به دستگاه اضافه خواهد شد. به عنوان نمونه قسمت‌های انعطاف‌پذیر جدید یا بالشتک‌هایی برای راحتی که فرد هنگام راه رفتن با آن احساس راحتی کند. انتخاب مواد برای هر قسمت و ساخت نمونه آزمایشی نیز مهم است.


نتایج توانبخشی با اسکلت بیرونی بلافاصله پس از سکته حاد
روش های کنترل اسکلت های بیرونی اندام تحتانی برای کمک به راه رفتن (بخش نخست)
روش های کنترل اسکلت های بیرونی اندام تحتانی برای کمک به راه رفتن (بخش دوم)


منبع: University of Nebraska–Lincoln

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوریهای توان افزا و پوشیدنی) مجاز است.»

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *