Utafiti huu umetengeneza mbinu ya majaribio ya maabara iliyoongozwa na awamu ya katikati ya utegemezi ili kupima tabia ya kimekanika ya nyayo bandia za kukimbia bila kutegemea makundi ya ugumu ya watengenezaji wenyewe na chini ya hali inayohusiana na biomekanika ya kukimbia. Kwa kutumia data za mbio za kasi za wanariadha wanane wa para wa kiwango cha juu, pembe, mgandamizo wa wima na nguvu za mwitikio wa ardhi za nyayo bandia katika katikati ya utegemezi zilibainishwa; kisha nyayo bandia sita za kukimbia zilijaribiwa kwenye benchi hadi mgandamizo wa pamoja wa wima wa 110 mm. Ugumu wa hali ya mwisho uliohesabiwa kutoka data za benchi na za kukimbia halisi ulilingana ndani ya takriban %5 kwa vifaa vyote, na vipimo viwili vya ugumu vilivyopendekezwa vilijenga upya mikunjo halisi ya nguvu–uhamisho kwa makosa yaliyosawazishwa ya chini ya %3. Hata hivyo, mbinu hiyo inategemea sampuli ndogo ya wanariadha wa kiwango cha juu, modeli sita za nyayo bandia na majaribio ya benchi ya nusu-tuli yaliyofanywa kwa kasi ndogo; haithibitishi mienendo yote ya kukimbia halisi wala mafanikio ya uteuzi wa kifaa kwa mtu binafsi.

Nyayo bandia maalumu kwa kukimbia ni miundo nyumbufu pasivu iliyotengenezwa kwa nyuzi za kaboni na hufanya kazi kama chemchemi. Uzito wa mkimbiaji unapokandamiza blade ya nyayo bandia, nishati ya kimekanika huhifadhiwa; mzigo unapopungua, muundo hurudi katika umbo lake la awali na kurejesha sehemu ya nishati hiyo. Hata hivyo, tabia hii haitegemei tu kundi la ugumu lililoandikwa kwenye bidhaa. Nyayo bandia kuwa na umbo la C au J, pembe ya usakinishaji, hali ya mgusano, msuguano, mwelekeo wa upakiaji na kiwango cha mgandamizo unaotumika vinaweza kubadilisha mwitikio wa kimekanika unaopimwa.

Watafiti walifafanua awamu ya katikati ya utegemezi kama wakati ambapo nguvu ya mwitikio wa ardhi katika mwelekeo wa mbele–nyuma inapita kwenye sifuri na awamu ya kufunga mwendo hubadilika kuwa awamu ya kusukuma. Uchaguzi huu hurahisisha jaribio la benchi: wakati mwendo wa wima unaodhibitiwa unatumiwa kwa nyayo bandia, sahani ya ardhi inaweza kuachwa huru kusogea kwa mlalo, hivyo mwendo wa mlalo unaotegemea umbo la nyayo bandia hupimwa kama matokeo ya jaribio badala ya kulazimishwa mapema.

Katika vipimo vya kukimbia halisi, pembe ya wastani ya klampu ilipatikana kuwa takriban 11,5° kwa nyayo bandia za umbo la C na 23,7° kwa nyayo bandia za umbo la J. Licha ya tofauti za kijiometri, migandamizo ya wima katika katikati ya utegemezi ilibaki katika masafa finyu na wastani wa jumla kwa wanariadha wote ulikuwa 102,6 ± 5,0 mm. Kutokana na matokeo haya, watafiti waliweka pembe za usakinishaji wa benchi kuwa 10° kwa nyayo bandia za umbo la C, 25° kwa nyayo bandia za umbo la J na mgandamizo wa juu wa pamoja kuwa 110 mm kwa makundi yote mawili.

Vipimo vitatu vilitengenezwa ili kufupisha matokeo ya jaribio. Ugumu sawa na nishati nyumbufu unaonyesha ugumu wa jumla wa nyayo bandia katika masafa yote ya mgandamizo; Uwiano wa Kuongezeka kwa Ugumu unaonyesha kiwango ambacho mteremko huongezeka kutoka mwanzo hadi mwisho wa mgandamizo; na Uwiano wa Mihimili Miwili unaonyesha kiwango ambacho mgandamizo wa wima umeunganishwa na mwendo wa mlalo wa ardhi. Hivyo, inaweza kutathminiwa ikiwa nyayo bandia mbili zenye ugumu wa jumla unaofanana zinatofautiana katika tabia ya kuongezeka kwa ugumu isiyo ya mstari au katika aina ya mgeuko wa mlalo.

Tathmini kwa mtazamo wa Uturuki: Utafiti haukufanywa kwa wanariadha, vituo vya nyayo bandia au bidhaa nchini Uturuki. Hata hivyo, mbinu iliyopendekezwa inaweza kuchunguzwa katika vituo vya utafiti wa nyayo bandia nchini Uturuki, maabara za biomekanika za vyuo vikuu na tathmini za wanariadha wa Paralimpiki ili kulinganisha nyayo bandia tofauti za kukimbia chini ya hali za pamoja za kimekanika. Kabla ya matumizi ya ndani, uthibitishaji unapaswa kufanywa kwa viwango tofauti vya kukatwa kiungo, wanariadha wanawake na wanaume, wakimbiaji wa burudani na wa kiwango cha juu, nyuso tofauti za uwanja, upangaji tofauti wa nyayo bandia na kasi tofauti za upakiaji wa kidinamiki. Utafiti hauonyeshi kwamba modeli fulani ya nyayo bandia ni bora kwa wanariadha wote au kwamba vipimo hivyo pekee vinaweza kutoa uamuzi wa kliniki wa kuagiza nyayo bandia.

Swali kuu la utafiti ni lipi?

Swali kuu la utafiti ni ikiwa tabia ya kimekanika ya nyayo bandia za kukimbia kutoka kwa watengenezaji na jiometri tofauti inaweza kupimwa kwa mbinu ya maabara ya pamoja, inayoweza kurudiwa na inayotegemea hali inayokumbwa wakati wa kukimbia.

Katika bidhaa za kibiashara zilizopo, uainishaji kama “kundi la 2”, “kundi la 5” au ufaafu kwa uzito fulani wa mwili hutumiwa. Hata hivyo, makundi haya si mizani sanifu inayotegemea vitengo vya pamoja vya kimekanika kati ya watengenezaji. Kundi fulani kwa mtengenezaji mmoja huenda lisionyeshe tabia ileile ya nguvu–uhamisho kwa mtengenezaji mwingine. Mbinu za majaribio na masharti ya mipaka yanayotumiwa na watengenezaji pia mara nyingi hayaelezwi kwa kina.

Kwa sababu hiyo, watafiti walipendekeza kulinganisha nyayo bandia si kwa nguvu au kundi lililopendekezwa na mtengenezaji, bali kwa kuzikandamiza hadi hali ileile ya mwisho ya kimekanika. Hivyo, uhamisho wa wima unaotumiwa huwa ingizo la jaribio, huku nguvu na ugumu unaotokea vikiwa matokeo yanayopimwa.

Kwa nini ugumu wa nyayo bandia ya kukimbia si namba moja tu?

Mwitikio wa nguvu–uhamisho wa nyayo bandia za kukimbia si wa mstari kikamilifu. Kwa maneno mengine, nyayo bandia huenda isizalishe kiasi kilekile cha nguvu ya ziada kwa kila millimita ya ziada ya mgandamizo. Katika utafiti, mikunjo iliyopimwa pia hupinda kuelekea juu na kuonyesha kwamba muundo kwa kawaida huwa mgumu zaidi kadiri mgandamizo unavyoongezeka.

Tabia ya kimekanika ya nyayo bandia ina angalau sifa tatu tofauti:

• Ugumu wa jumla: Kiasi cha nguvu na nishati inayohifadhi katika masafa fulani ya mgandamizo.
• Kuongezeka kwa ugumu kusiko kwa mstari: Kiwango ambacho miteremko ya sehemu ya mwanzo na ya mwisho hutofautiana.
• Muunganiko wa kijiometri: Kiasi ambacho sehemu ya mgusano au sahani huru ya ardhi husogea kwa mlalo wakati nyayo bandia inakandamizwa kwa wima.

Tofauti hii ni muhimu kwa sababu nyayo bandia mbili zinaweza kuhifadhi jumla ileile ya nishati lakini moja ikawa laini zaidi mwanzoni na ngumu zaidi katika sehemu ya mwisho. Vivyo hivyo, mikunjo ya nguvu ya wima ya vifaa viwili inaweza kuwa karibu huku mienendo yao ya mlalo ikitofautiana. Thamani moja tu ya ugumu wa mstari inaweza kuficha maelezo haya.

Kwa nini awamu ya katikati ya utegemezi ilitumika kama rejea?

Katika utafiti, katikati ya utegemezi ilifafanuliwa kama wakati ambapo nguvu ya mwitikio wa ardhi ya mbele–nyuma ni sifuri:

\[ GRF_x = 0 \]

GRF_x ni nguvu ya mwitikio wa ardhi ya mlalo katika mwelekeo wa kukimbia na huonyeshwa kwa newton. Thamani ya sifuri inawakilisha mpito kati ya sehemu ya kwanza ambapo mguu huleta athari ya kufunga mwendo dhidi ya ardhi na sehemu ya pili ambapo huleta msukumo wa mbele.

Hali hii ina faida kwa muundo wa benchi. Wakati wa jaribio, hakuna haja ya kufafanua kwa udhibiti hai mkunjo wa nguvu ya mlalo au mwendo wa mlalo. Nyayo bandia inapokandamizwa kwa wima, ndege ya ardhi inaweza kusogea kwa mlalo kwa upinzani mdogo sana. Uhamisho wa mlalo unaotokana na mpindo na usakinishaji wa nyayo bandia hupimwa.

Watafiti hawadai kwamba mbinu hii inaiga mgusano wote wa kukimbia. Lengo si kujenga upya awamu zote za mgusano wa kwanza, kufunga mwendo, katikati ya utegemezi, kusukuma na kuondoka kwa ncha ya mguu, bali kuunda rejea inayoweza kurudiwa inayolingana na hali ya ugumu wa kimekanika katika katikati ya utegemezi.

Nani alishiriki katika jaribio la kukimbia halisi?

Wanariadha wanane wa kiwango cha juu wenye kukatwa kiungo cha chini upande mmoja walishiriki katika utafiti. Washiriki waligawanywa katika makundi mawili:

Kila mwanariadha alifanya mbio nne za kiwango cha juu kwenye uwanja wenye sensa. Kwa uchanganuzi, sehemu ya kasi thabiti katikati ya mbio ilitumika na migusano minne ya ardhi ya upande wa nyayo bandia ilichunguzwa kwa kila mshiriki. Washiriki walitoa ridhaa iliyoandikwa baada ya kupewa taarifa. Jina la kamati ya maadili, namba ya kamati au tarehe ya idhini haikuripotiwa katika maandishi makuu.

Lebo za kasi katika Kielelezo 10 zinaonyesha kwamba kasi za wastani za sprint katika mbio zilizochanganuliwa zilikuwa takriban katika masafa ya 6,7–9,6 m/s. Thamani hizi zinawakilisha hali za sprint za kiwango cha juu; kukimbia kwa kawaida, kutembea kwa urekebishaji au matumizi ya burudani kwa kasi ndogo huenda yasisababishe hali ileile ya upakiaji.

Ni modeli gani za nyayo bandia zilizotumika?

Modeli sita zilizotumika katika jaribio halisi baadaye zilijaribiwa kwenye benchi la maabara. Inaeleweka kwamba, badala ya Cheetah Xceed CAT 2 mbili zinazofanana na nyayo bandia mbili maalumu za Runner, vifaa vya uwakilishi kutoka kila modeli au hali vilichaguliwa. Lengo la utafiti si kupanga viwango vya nyayo bandia zote za kibiashara, bali kujaribu kama mbinu inaweza kutumika katika jiometri na viwango tofauti vya ugumu.

Data za kukimbia halisi zilipimwaje?

Data za kinematiki zilirekodiwa kwa mfumo wa kunasa mwendo wa Vicon Valkyrie wenye kamera 12 kwa kiwango cha sampuli cha 240 Hz. Kuratibu za alama zilichakatwa kwa kichujio cha Butterworth cha kiwango cha nne cha kupitisha masafa ya chini chenye masafa ya kukata ya 20 Hz.

Nguvu za mwitikio wa ardhi zilipimwa kwa 1200 Hz kwa kutumia majukwaa tisa ya nguvu yaliyowekwa chini ya uwanja wa tartan. Majukwaa mawili ni modeli BMS400600 na majukwaa saba ni modeli BMS600900. Uchakataji wa data ulifanywa kwa hati maalumu ya MATLAB.

Katika mfumo wa kuratibu wa kimataifa, mhimili X ni mhimili wa mlalo sambamba na mwelekeo wa kukimbia, na mhimili Y ni mhimili wa wima unaoelekea kinyume na mvuto. Mfumo wa kuratibu wa klampu pia ulifafanuliwa katika eneo la muunganisho wa nyayo bandia. Pembe ya klampu ilihesabiwa kama pembe ya pitch kati ya mhimili wa muunganisho wa nyayo bandia na mhimili wa wima wa kimataifa.

Mgandamizo wa nyayo bandia katika katikati ya utegemezi ulihesabiwaje?

Watafiti hawakulinganisha moja kwa moja umbo la nyayo bandia lililobebeshwa mzigo na umbo lisilobebeshwa wakati wa kusimama. Picha ya nyayo bandia isiyobebeshwa ilizungushwa kwanza kama mwili thabiti hadi pembe ya klampu iliyopimwa katika katikati ya utegemezi, kisha tofauti ya wima kati ya alama za chini kabisa za umbo lililobebeshwa na umbo lisilobebeshwa lililopangwa kwa njia pepe ikahesabiwa.

Mchakato huu unaweza kuonyeshwa kimawazo kwa uhusiano ufuatao:

\[ \Delta y_{MS} = y_{\mathrm{unloaded,\ aligned}} - y_{\mathrm{loaded,\ MS}} \]

Δy_MS ni mgandamizo wa wima wa kimataifa wa nyayo bandia katika katikati ya utegemezi na huonyeshwa kwa millimita. Kipimo kinalenga kuwakilisha mgeuko wa blade unaotokea katika pembe ileile ya muunganisho badala ya mwendo wa kimataifa wa nyayo bandia nzima.

Katika Kielelezo 3 na grafu za mfano za umbo la C na J zilizowasilishwa kando, umbo lisilobebeshwa linaonyeshwa kwa bluu na umbo lililobebeshwa katika katikati ya utegemezi linaonyeshwa kwa nyekundu. Kusogea juu kwa sehemu ya chini kabisa ya mkunjo mwekundu ikilinganishwa na rejea ya bluu isiyobebeshwa huonyesha kiwango cha mgandamizo wa wima.

Matokeo makuu ya kijiometri ya jaribio halisi ni yapi?

Mgandamizo wa wastani wa mtu mmoja mmoja kwa washiriki wote ulitofautiana kati ya 94,4–110,2 mm na wastani wa jumla ulikuwa 102,6 ± 5,0 mm. Licha ya tofauti za uzito wa mwili, kasi, jiometri za nyayo bandia na makundi ya watengenezaji, kubaki kwa mgandamizo katika masafa finyu kiasi hiki ndiyo msingi mkuu wa kuchagua lengo la pamoja la uhamisho.

Kinyume chake, pembe za klampu zinatofautiana wazi kati ya makundi mawili. Kwa hiyo watafiti walitumia pembe mbili tofauti za rejea kwa maumbo ya C na J badala ya kutumia pembe ileile ya usakinishaji kwa jiometri zote mbili.

Hali ya majaribio iliyosanifishwa iliamuliwaje?

Wastani wa data halisi ulizungushwa hadi vipindi vya vitendo vya 5°. Hali za mwisho za benchi ni kama ifuatavyo:

Pembe hizi si thamani za upangaji wa kliniki zinazopendekezwa kwa mwanariadha binafsi. Watafiti walichagua thamani za rejea zinazoweza kutekelezwa kwa kuzingatia utofauti wa asili katika vipimo na uwezo wa usakinishaji wa maabara tofauti.

Mgandamizo wa pamoja wa 110 mm unalingana na sehemu ya juu ya masafa ya mgandamizo yaliyoonekana katika hali halisi. Hivyo nyayo bandia zenye ugumu tofauti zinalazimishwa hadi hali ileile ya mwisho ya kinematiki na nguvu zinazotokea zinalinganishwa.

Kifaa cha benchi kilifanyaje kazi?

Benchi maalumu la majaribio lina viendeshi viwili vya servo-hydraulic. Kichochezi cha wima MTS 242.03 hudhibiti gari linalosogeza nyayo bandia chini, huku kichochezi cha mlalo kikidhibiti gari la pili linalobeba seli ya mzigo ya mihimili sita na sahani ya ardhi ya alumini.

Uso wa sahani ya alumini ulifunikwa kwa tabaka la tartan la aina ileile kama uwanja uliotumika katika jaribio halisi. Tabaka hili lilitumika kutoa mgusano unaokaribia zaidi uso halisi wa kukimbia na kupunguza kuteleza kwa ncha ya nyayo bandia.

Katika picha ya benchi ya utafiti, fremu ndefu ya profaili za alumini, mfumo wa mwendo wa wima na reli ya mlalo chini vinaonekana. Mchoro wa sagittal unaonyesha mwendo wa wima kama dy, mwendo wa mlalo wa sahani kama dx, na nguvu za wima na mlalo kama F_y na F_x.

Mwanzoni mwa kila jaribio, mzigo wa awali wa wima wa 20 N ulitumika ili kuunda mgusano thabiti kati ya nyayo bandia na uso wa tartan. Uhamisho uliwekwa sifuri katika hali hii na mzigo wa awali ulitolewa kutoka nguvu ya wima iliyopimwa. Kwa hiyo, mikunjo ya nguvu–uhamisho iliyoripotiwa inaonyesha mwitikio wa jamaa ukilinganishwa na hali ya mgusano ya 20 N.

Kichochezi cha wima kilisogea kwa kasi ya 0,5 mm/s na data za nguvu na nafasi zilirekodiwa kwa 100 Hz. Kichochezi cha mlalo kilitumika katika udhibiti wa nguvu ili kuweka nguvu ya mwitikio wa mlalo karibu na sifuri na ndani ya uvumilivu wa 20 N. Mizunguko mitatu mfululizo ya kupakia–kupunguza mzigo ilifanywa kwa kila nyayo bandia.

Katika majadiliano, imeelezwa kwamba mbinu si lazima ihitaji kichochezi hai cha pili. Ikiwa upinzani wa mlalo unaweza kuwekwa chini ya 50 N, mwendo wa mlalo unaweza kupimwa na hali ya nguvu karibu na sifuri inaweza kuthibitishwa, inapendekezwa kwamba hali sawa ya mpaka inaweza pia kuundwa kwa reli pasivu yenye msuguano mdogo.

Ugumu sawa na nishati nyumbufu ulihesabiwaje?

Ugumu sawa na nishati nyumbufu ni ugumu wa chemchemi ya kufikirika ya mstari ambayo katika mgandamizo uleule wa juu ingehifadhi nishati nyumbufu ileile kama nyayo bandia halisi isiyo ya mstari:

\[ K_{eq} = \frac{2\int_{0}^{\Delta y} F_y\,d(dy)}{\Delta y^2} \]

Ambapo:

• K_eq ni ugumu sawa na nishati nyumbufu na huonyeshwa kwa N/mm.
• F_y ni nguvu ya wima iliyopimwa kwenye benchi na huonyeshwa kwa newton.
• dy ni mgandamizo wa wima wa wakati huo na huonyeshwa kwa millimita.
• Δy ni mgandamizo wa juu wa wima; katika itifaki hii ni 110 mm.
• Integrali inawakilisha eneo chini ya mkunjo wa nguvu–uhamisho na hivyo kazi ya kimekanika iliyofanywa wakati wa kupakia.

Kipimo hiki hakiangalii nguvu katika sehemu ya mwisho pekee; kinatumia masafa yote ya mgandamizo ya mkunjo. Kwa mfano wa kila siku, ugumu sawa huundwa si kwa kuangalia tu jinsi chemchemi ilivyo ngumu mwishoni, bali kwa kuzingatia jumla ya kazi inayohitajika kuikandamiza katika mchakato wote.

Uwiano wa Kuongezeka kwa Ugumu ulihesabiwaje?

Uwiano wa Kuongezeka kwa Ugumu ni uwiano wa mteremko wa ndani mwishoni mwa mkunjo wa nguvu–uhamisho kwa mteremko wa ndani mwanzoni:

\[ SR = \frac{K_{fin}}{K_{ini}} \]

Ambapo:

• SR ni Uwiano wa Kuongezeka kwa Ugumu usio na kitengo.
• K_ini ni mteremko wa mwanzo uliohesabiwa kwa ulinganishaji wa mstari katika masafa ya ndani ya 20 mm ya kwanza.
• K_fin ni mteremko wa mwisho uliohesabiwa katika 20 mm za mwisho kati ya 90–110 mm.

Thamani ya SR ikiwa karibu na 1, ugumu wa mwanzo na wa mwisho hufanana. SR ikiwa kubwa kuliko 1, nyayo bandia huwa ngumu zaidi kadiri inavyokandamizwa. Kwa mfano, SR = 2 ina maana kwamba mteremko wa ndani katika sehemu ya mwisho ni takriban mara mbili ya ule wa mwanzo.

Uwiano wa Mihimili Miwili unaonyesha nini?

Uwiano wa Mihimili Miwili unafupisha jumla ya mwendo wa mlalo wa sahani huru ya ardhi wakati wa mgandamizo wa wima:

\[ BR = \frac{\Delta x}{\Delta y} \]

Ambapo:

• BR ni Uwiano wa Mihimili Miwili usio na kitengo.
• Δx ni jumla ya uhamisho wa mlalo wa sahani ya ardhi na huonyeshwa kwa millimita.
• Δy ni jumla ya mgandamizo wa wima uliotumika na huonyeshwa kwa millimita.

BR = 0,90 ina maana kwamba wakati wa mgandamizo wa wima wa 110 mm, takriban 99 mm ya mwendo wa mlalo wa ardhi hutokea. Uwiano huu hutoa taarifa ya jumla kuhusu mpindo, upangaji na aina ya mgeuko wa nyayo bandia.

Thamani hii si sawa na mwendo wa mlalo wa alama katika kukimbia halisi. Katika kipimo halisi, kusonga mbele kwa nyayo bandia nzima, kuzunguka, kuhama kwa sehemu ya mgusano na mgeuko wa blade vinaweza kuchanganyika katika ishara ileile. BR ni kipimo sanifu kinachohusu tu hali ya mpaka ya maabara iliyofafanuliwa.

Ugumu wa hali halisi na wa benchi ulilinganishwaje?

Ugumu wa sekanti katika katikati ya utegemezi wa hali halisi ulihesabiwa kama ifuatavyo:

\[ K_{secant,vivo,MS} = \frac{GRF_{y,MS}}{\Delta y_{MS}} \]

GRF_y,MS ni nguvu ya mwitikio wa ardhi ya wima katika katikati ya utegemezi na huonyeshwa kwa newton. Δy_MS ni mgandamizo wa nyayo bandia katika wakati huo na huonyeshwa kwa millimita. Matokeo yana kitengo cha N/mm.

Ugumu wa sekanti wa benchi ni kama ifuatavyo:

\[ K_{secant,bench,MS} = \frac{F_{y,max}}{\Delta y} \]

F_y,max ni nguvu ya juu ya wima iliyopimwa katika mgandamizo wa 110 mm. Uwiano huu miwili haulinganishi njia yote ya upakiaji, bali uhusiano wa wastani wa nguvu–mgandamizo katika hali ya mwisho iliyochaguliwa.

Mkunjo wa nguvu–uhamisho ulijengwaje upya kwa vipimo viwili?

Watafiti walitumia mkunjo wa daraja la pili ili kujaribu kama K_eq na SR vinaweza kuwakilisha mwitikio wote wa wima:

\[ F_y^{est} = a\,dy^2 + b\,dy \]

Neno lisilobadilika ni sifuri kwa sababu hali ya mzigo wa awali wa 20 N ilitumika kama rejea ya nguvu sifuri na uhamisho sifuri. Vigawo havikulinganishwa moja kwa moja na mkunjo wa majaribio; vilitolewa kutokana na masharti ya usawa wa nishati na Uwiano wa Kuongezeka kwa Ugumu.

Usawa wa nishati:

\[ \frac{1}{2}K_{eq}\Delta y^2 = \int_{0}^{\Delta y}(a\,dy^2+b\,dy)\,d(dy) \]

Miteremko ya ndani ya mwanzo na mwisho:

\[ K_{ini}=a\,\Delta y_{loc}+b \]

\[ K_{fin}=a(2\Delta y-\Delta y_{loc})+b \]

Vigawo:

\[ a=T\,K_{eq}(SR-1) \]

\[ b=T\,K_{eq}[2\Delta y-\Delta y_{loc}(SR+1)] \]

Kigawo saidizi hapa ni:

\[ T=\frac{3}{2\Delta y(SR+2)-3\Delta y_{loc}(SR+1)} \]

Mkunjo wa mwisho uliojengwa upya ni kama ifuatavyo:

\[ F_y^{est}=T\,K_{eq}\{(SR-1)dy^2+[2\Delta y-\Delta y_{loc}(SR+1)]dy\} \]

Δy_loc ni masafa ya ndani ya 20 mm ambamo miteremko ya mwanzo na ya mwisho ilihesabiwa. Utoaji huu hujaribu kiwango ambacho vipimo viwili vya skala vinaweza kuhifadhi umbo la mkunjo bila kulinganisha upya moja kwa moja na data za majaribio.

Kosa la kujenga upya lilipimwaje?

Kosa la mzizi wa wastani wa miraba kati ya nguvu zilizopimwa na zilizokadiriwa lilihesabiwa kama ifuatavyo:

\[ RMSE=\sqrt{\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}(F_{y,i}^{meas}-F_{y,i}^{est})^2} \]

Ambapo n ni idadi ya sampuli, F_y,i^meas ni nguvu iliyopimwa na F_y,i^est ni nguvu iliyokadiriwa. RMSE huonyeshwa kwa newton.

Ili kulinganisha nyayo bandia zenye viwango tofauti vya nguvu, kosa liligawanywa kwa nguvu ya juu:

\[ RMSE\%=\frac{RMSE}{F_{y,max}}\times 100 \]

RMSE% ya chini inaonyesha kwamba vipimo viwili vinawakilisha vizuri zaidi umbo la mkunjo halisi.

Ni vipimo gani vya kimekanika vilipatikana kwenye benchi?

Ugumu wa juu zaidi wa jumla ulikuwa 23,59 N/mm katika Cheetah Xtreme CAT 6, na thamani ya chini zaidi ilikuwa 14,10 N/mm katika Runner Custom 54 kg. Hata hivyo, Uwiano wa Kuongezeka kwa Ugumu wa juu zaidi haukupatikana katika kifaa chenye ugumu wa jumla wa juu zaidi, bali katika Ottobock Sprinter yenye SR = 2,66.

Matokeo haya yanaonyesha kwamba ugumu wa jumla na namna ugumu unavyobadilika wakati wa mgandamizo ni sifa tofauti za kimekanika. Ingawa K_eq iliongezeka kadiri kundi lilivyoongezeka kati ya Cheetah Xtreme CAT 4, CAT 5 na CAT 6, SR haikuongezeka kwa mstari.

Thamani za BR zilitofautiana kati ya 0,75–0,94. Vifaa viwili vya umbo la C vilikuwa na BR za 0,93 na 0,94, huku Ottobock Sprinter ikiwa na muunganiko wa chini zaidi wa mlalo–wima kwa 0,75. Hii haiwezi kusemwa kuwa ni athari huru ya jiometri ya C au J pekee; sifa za modeli na usakinishaji pia zinatofautiana.

Uwezo wa jaribio kurudiwa ukoje?

Katika vipimo vyote, mgawo wa tofauti kati ya mizunguko mitatu mfululizo ulibaki chini ya %2. Utofauti mkubwa zaidi ulionekana katika SR. Sababu ni kwamba SR hutegemea tu miteremko ya ndani mwanzoni na mwishoni mwa mkunjo na ni nyeti zaidi kwa mabadiliko madogo ya vipimo kuliko kipimo cha K_eq kinachotegemea eneo.

Matokeo haya yanaunga mkono uwezo mkubwa wa kurudia katika majaribio mfululizo ya kifaa kilekile. Hata hivyo, uwezo wa kurudiwa kati ya siku tofauti, maabara tofauti, waendeshaji tofauti au majaribio ambapo kifaa kimewekwa upya haujatathminiwa kando.

Ugumu wa benchi na wa kukimbia halisi ulilingana kwa kiwango gani?

Kwa vifaa vyote, tofauti ilibaki kati ya −%4,8 na +%2,2. Kosa la mzizi wa wastani wa miraba kwa vifaa vyote lilikuwa 0,62 N/mm.

Katika grafu ya mtawanyiko, pointi za vifaa vya umbo la C na J ziko karibu na mstari wa utambulisho unaoonyesha ulinganifu kamili. Katika uchanganuzi wa Bland–Altman, tofauti ya wastani iliripotiwa kuwa 0,42 N/mm, mipaka ya ulinganifu ya %95 ikiwa −0,56 hadi 1,40 N/mm, na vifaa vyote vilibaki ndani ya mipaka hiyo.

Ulinganisho huu hauonyeshi kwamba benchi hujenga upya mwendo wote wa kukimbia halisi. Unaunga mkono tu kwamba ugumu wa sekanti wa wima katika hali ya mwisho iliyochaguliwa ya 110 mm uko karibu na thamani ya katikati ya utegemezi.

Vipimo viwili vya ugumu viliwakilisha mkunjo halisi vizuri kwa kiwango gani?

Katika vifaa vyote, kosa lililosawazishwa lilibaki chini ya %3. Kwa Cheetah Xceed CAT 2, mikunjo ya majaribio na iliyojengwa upya karibu ilifunika kila mmoja na kosa lilikuwa %0,22. Kosa kubwa zaidi lilikuwa %2,65 katika Runner Custom 54 kg.

Kosa hili dogo linaonyesha kwamba K_eq na SR huhifadhi sehemu kubwa ya mwitikio wa nguvu–uhamisho chini ya dhana ya mkunjo wa daraja la pili. Hata hivyo, mikunjo changamano zaidi, kasi tofauti za upakiaji au tabia ya hysteresis huenda zisiwakilishwe vya kutosha kwa vipimo hivi viwili.

Uhusiano kati ya mwendo wa mlalo na wima ukoje?

Katika nyayo bandia sita zilizojaribiwa, uhusiano kati ya mwendo wa mlalo wa ardhi na mgandamizo wa wima ni takriban wa mstari. Mgawo wa wastani wa uamuzi wa vifaa sita uliripotiwa kuwa R² = 0,997.

Katika mfano wa Cheetah Xceed CAT 2, uhusiano wa mstari ni:

\[ dx = 0{,}9286\,dy \]

na mgawo wa ulinganifu ni:

\[ R^2 = 0{,}9994 \]

kama ilivyoonyeshwa. Katika mfano huu, kila 1 mm ya mgandamizo wa wima iliambatana na takriban 0,929 mm ya mwendo wa mlalo.

Grafu zinaonyesha mielekeo gani ya kimekanika?

Katika grafu ya nguvu–uhamisho, nyayo bandia zote sita huzalisha nguvu inayoongezeka hadi mgandamizo wa 110 mm. Kupinda juu kwa mikunjo kunaonyesha kwamba katika nyayo bandia nyingi, ugumu wa nyongeza huwa mkubwa zaidi katika sehemu ya mwisho ya mgandamizo. Cheetah Xtreme CAT 6 inaonyesha nguvu ya mwisho ya juu zaidi ya takriban 2,8 kN, huku Runner Custom na Sprinter zikionyesha nguvu za mwisho za chini zaidi katika kiwango cha takriban 1,9–2,0 kN. Thamani hizi zimesomwa kwa makadirio kutoka kwenye grafu; ulinganisho sahihi unapaswa kutegemea jedwali za K_eq na ugumu wa sekanti.

Katika grafu ya uhamisho wa mlalo–wima, mistari ya nyayo bandia za umbo la C hufikia takriban 102–104 mm ya mwendo wa mlalo katika mgandamizo wa wima wa 110 mm. Miongoni mwa nyayo bandia za umbo la J, mwendo wa mlalo wa Sprinter ni mdogo zaidi, karibu 83 mm. Tabia ya takriban mstari ya mikunjo inaunga mkono kuwakilisha BR kwa uwiano mmoja.

Katika grafu zinazoonyesha maumbo ya nyayo bandia katika hali halisi, tofauti kati ya mkunjo mwekundu uliobebeshwa na mkunjo wa bluu usiobebeshwa uliopangwa inaonyesha kwamba mgeuko katika katikati ya utegemezi si kufupika kwa wima pekee. Hasa katika sehemu za chini na za kati za blade, mpindo na nafasi ya mlalo hubadilika.

Ni nguvu zipi za utafiti?

• Ulitokana hali za benchi moja kwa moja na data za kukimbia halisi za wanariadha wa kiwango cha juu.
• Ulitengeneza mkabala wa pamoja unaojumuisha jiometri mbili kuu za nyayo bandia za kukimbia, umbo la C na J.
• Ulitumia hali ya mwisho ya kinematiki ya pamoja ya 110 mm badala ya kundi la ugumu la mtengenezaji.
• Uliacha mwendo wa mlalo uwe matokeo ya asili ya jaribio huku ukidhibiti mgandamizo wa wima.
• Ulifafanua ugumu wa jumla, kuongezeka kwa ugumu kusiko kwa mstari na muunganiko wa mlalo–wima kwa vipimo tofauti.
• Ulionyesha utofauti wa chini ya %2 kwa vipimo vyote katika mizunguko mitatu mfululizo.
• Ulilinganisha ugumu wa hali ya mwisho wa benchi na ugumu wa katikati ya utegemezi wa hali halisi kwa kila kifaa.
• Ulutumia njia nyingi za uthibitishaji, ikiwemo uchanganuzi wa Bland–Altman, RMSE na tofauti ya asilimia.
• Ulijaribu moja kwa moja uwezo wa vipimo viwili vya skala vya ugumu kujenga upya mkunjo mzima.
• Ulitoa hali ya mpaka inayoweza kubadilishwa kwa vifaa rahisi zaidi vya maabara vyenye reli pasivu ya mlalo.

Ni mapungufu gani ya utafiti?

• Rejea ya hali halisi iliundwa kutokana na wanariadha wanane tu wa kiwango cha juu.
• Nyayo bandia za umbo la C zilitumika tu kwa washiriki waliokatwa kiungo juu ya goti na za umbo la J tu kwa washiriki waliokatwa kiungo chini ya goti; athari za jiometri na kiwango cha kukatwa kiungo haziwezi kutenganishwa.
• Mgawanyo wa wanawake na wanaume ni tofauti katika makundi mawili.
• Thamani za rejea zilitokana na mbio za sprint za kiwango cha juu; kukimbia polepole na matumizi ya burudani hayajawakilishwa.
• Nyayo bandia sita tu zilijaribiwa kwenye benchi.
• Si modeli, makundi na chaguo zote za usakinishaji katika soko la kibiashara zilizochunguzwa.
• Jaribio lilifanywa kwa nusu-tuli kwa kasi ya 0,5 mm/s na haliwakilishi kasi kubwa za upakiaji katika sprint halisi.
• Athari za viskoelastiki au zinazotegemea kasi ya upakiaji hazikutathminiwa kwa utaratibu.
• Mbinu haijengi upya awamu yote ya mgusano wa kukimbia wala nguvu za mlalo zinazobadilika kwa muda.
• Urejeshaji wa nishati, hysteresis, maisha ya uchovu na uimara wa muundo havikuchunguzwa kama matokeo makuu.
• BR haijathibitishwa moja kwa moja dhidi ya kipimo kinacholingana katika kukimbia halisi.
• Pembe za 10° na 25° si thamani za upangaji wa kliniki za mtu binafsi, bali ni marejeo ya vitendo yaliyoviringishwa.
• Unyeti kwa pembe tofauti za klampu haukujaribiwa katika utafiti huu.
• Athari za nyuso za uwanja au ardhi zisizo tartan hazikutathminiwa.
• Uwezo wa kurudiwa kati ya siku tofauti, waendeshaji na maabara haujaonyeshwa.
• Hakuna uthibitishaji huru wa maabara ya nje uliofanywa.
• Majaribio ya dhana ya kitakwimu, thamani za p na uchanganuzi wa nguvu ya ukubwa wa sampuli havikuripotiwa.
• Uhusiano wa vipimo na utendaji wa mwanariadha, faraja, hatari ya jeraha au kuridhika na uchaguzi wa nyayo bandia haukutathminiwa.
• Utafiti ni preprint ambayo haijapitia uhakiki wa wenza.

Utafiti unaunga mkono nini?

Utafiti unaunga mkono kwamba pembe za usakinishaji za 10° na 25° zilizotokana na data za katikati ya utegemezi wa sprint halisi, pamoja na mgandamizo wa pamoja wa 110 mm, zinaweza kuunda hali ya mwisho ya benchi iliyo karibu na ugumu wa sekanti wa wima katika katikati ya utegemezi kwa nyayo bandia sita zilizochunguzwa.

Utafiti pia unaonyesha kwamba vipimo vya K_eq, SR na BR vinaweza kufafanua vipengele tofauti vya kimekanika vya nyayo bandia ndani ya jaribio lilelile, kila kimoja kivyake na kwa uwezo mkubwa wa kurudiwa.

Makosa madogo ya mikunjo ya daraja la pili iliyoundwa kutoka K_eq na SR yanaunga mkono kwamba mwitikio wa nguvu ya wima–mgandamizo wa nyayo bandia zilizochunguzwa unaweza kuwakilishwa kwa kiasi kikubwa kwa uwakilishi mfupi wa vigezo viwili.

Utafiti hauthibitishi nini?

Utafiti hauthibitishi kwamba nyayo bandia fulani huongeza utendaji wa michezo, ni salama zaidi au inapaswa kupendelewa kwa wanariadha wote. Tofauti za kimekanika kati ya vifaa hazikuhusishwa moja kwa moja na muda wa mbio, matumizi ya kimetaboliki, faraja au matokeo ya majeraha.

Haijaonyeshwa kwamba mgandamizo wa 110 mm ni wa jumla kwa viwango vyote vya kukatwa kiungo, kasi za kukimbia, uzito wa wanariadha na aina za usakinishaji. Thamani hiyo ni rejea ya kimatendo iliyotokana na vipimo vya katikati ya utegemezi vya wanariadha wanane wa kiwango cha juu waliounganishwa katika utafiti.

Tofauti ndogo ya ugumu kati ya benchi na hali halisi haimaanishi kwamba benchi hujenga upya nguvu zote za kidinamiki na historia ya mgeuko ya sprint halisi. Uthibitishaji ulilenga tu ugumu wa sekanti wa wima katika hali ya mwisho.

Bado haijaonyeshwa kwamba mbinu inaboresha uagizaji wa kliniki wa nyayo bandia au inaweza kutumiwa kama kiwango na watengenezaji. Kwa matumizi hayo, uthibitishaji zaidi unahitajika katika makundi mapana zaidi ya wanariadha, maabara huru na kwa kuhusisha matokeo ya utendaji.

Umuhimu wake ni upi kwa mtazamo wa zamani, sasa na siku zijazo?

Kwa mtazamo wa zamani: Nyayo bandia za kukimbia kwa kawaida zilichaguliwa kwa mifumo ya makundi ya watengenezaji, na tafiti tofauti zilitumia hali tofauti za usakinishaji, msuguano na upakiaji. Hali hii ilifanya iwe vigumu kulinganisha moja kwa moja tafiti na bidhaa.

Mchango wa sasa: Utafiti unabadilisha hali ya katikati ya utegemezi iliyoonekana katika sprint halisi kuwa hali rahisi ya benchi na kuifafanua kwa vipimo vitatu vya kimekanika. Mbinu inalenga kuunda lugha ya pamoja ya vipimo isiyotegemea chapa au jina la kundi.

Kwa mtazamo wa siku zijazo: Baada ya uthibitishaji mpana zaidi, mbinu zinazofanana zinaweza kutumiwa katika usanifu wa nyayo bandia, ulinganisho kati ya vifaa, uthibitishaji wa modeli za nambari na juhudi zinazowezekana za usanifishaji. Kwa hilo, kasi ya upakiaji, uso, upangaji, maisha ya nyayo bandia, utendaji wa mwanariadha na uhusiano na matokeo ya kliniki vinapaswa kuchunguzwa.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muhtasari wa kiufundi wa muundo wa utafiti

Mbinu ya uthibitishaji

Muhtasari wa pamoja wa matokeo makuu

Hali ya uripoti wa kitakwimu na kimbinu

Katika utafiti, mgawo wa tofauti, kosa la mzizi wa wastani wa miraba, kosa la asilimia, thamani ya R² ya regresheni ya mstari na uchanganuzi wa ulinganifu wa Bland–Altman zilitumiwa kwa uthibitishaji wa mbinu. Mipaka ya Bland–Altman ilihesabiwa kama mipaka ya ulinganifu ya %95 inayotegemea mkengeuko sanifu wa tofauti.

Hakuna jaribio la dhana la inferensia kati ya makundi, thamani ya p au kizingiti cha umuhimu kilichowekwa mapema kilichoripotiwa. Lengo la utafiti si kuonyesha tofauti ya kitakwimu katika kiwango cha idadi ya watu kati ya makundi ya C na J, bali kutengeneza hali ya rejea kwa itifaki ya benchi na kuthibitisha vipimo vya kimekanika.

Tofauti za namba na uhariri ndani ya chanzo

Tofauti hizi ndogo hazibadilishi matokeo makuu ya mbinu; hata hivyo, kwa uaminifu kwa chanzo, hazipaswi kuunganishwa kimya kimya au kuwasilishwa kama thamani moja iliyosahihishwa.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la asili la utafiti: A Mid-Stance Inspired Test Method for the Comprehensive Mechanical Characterization of Running Prosthetic Feet: conceptual framework, implementation and validation

Waandishi, kwa mpangilio sahihi: Francesco Lorè; Mattia Scapinello; Roberto Di Marco; Andrea Giovanni Cutti; Nicola Petrone.

Mwandishi mwenza wa kwanza au mchango sawa: Hakuna taarifa ya uandishi mwenza wa kwanza au mchango sawa katika maandishi.

Mwandishi wa mawasiliano: Francesco Lorè — francesco.lore.1@studenti.unipd.it.

Uhusiano wa kitaasisi:

• Francesco Lorè, Mattia Scapinello na Nicola Petrone: Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di Padova, Via Venezia 1, 35131 Padova, Italia.
• Roberto Di Marco na Andrea Giovanni Cutti: Centro Protesi INAIL, Via Rabuina 14, 40054 Vigorso di Budrio, Bologna, Italia.

DOI:10.2139/ssrn.7201205

Namba ya rekodi ya SSRN: 7201205.

Jarida: Jina la jarida lililopitiwa na wahakiki wenza au toleo la mwisho la jarida lililokubaliwa halijathibitishwa.

Mchapishaji asili wa jarida: Hakuna mchapishaji wa jarida lililopitiwa na wahakiki wenza aliyethibitishwa kwa toleo hili.

Jukwaa la uchapishaji: SSRN.

Mwendeshaji wa jukwaa: Elsevier. Hapa Elsevier si mchapishaji asili wa jarida la makala iliyopitiwa na wahakiki wenza, bali ni mwendeshaji wa jukwaa la preprint la SSRN.

Mwaka wa uchapishaji: 2026.

Aina ya chanzo: Utafiti asili wa majaribio wa kutengeneza na kuthibitisha mbinu; preprint.

Hali ya uhakiki wa wenza: Utafiti huu ni preprint ambayo haijapitia uhakiki wa wenza; matokeo yanapaswa kusomwa kwa kuzingatia kikomo hiki.

Kiungo rasmi cha utafiti:Rekodi ya utafiti ya SSRN

Ufadhili: Utafiti uliungwa mkono na INAIL chini ya makubaliano ya Mradi wa OLYMPIA wenye namba PR19-PAI-P4 na Mradi wa ProOlympia wenye namba PR23-PAI-P3.

Mgongano wa maslahi: Waandishi waliripoti kwamba hakuna uhusiano wa kibiashara au kifedha ambao ungeweza kuathiri utafiti.

Ridhaa ya washiriki: Imeelezwa kwamba wanariadha wanane walitoa ridhaa iliyoandikwa baada ya kupewa taarifa. Jina la kamati ya maadili au namba ya idhini haikuripotiwa katika maandishi makuu.

Taarifa ya matumizi ya zana ya akili bandia: Waandishi waliripoti kwamba walitumia OpenAI ChatGPT GPT-5 kwa uhariri wa lugha, uwazi wa maandishi na kuandaa au kuboresha kwa kuona baadhi ya michoro ya maelezo; walipitia maudhui ya mwisho wenyewe na kukubali kuwajibika nayo.

Maelezo haya ya Kiswahili yameandaliwa kwa kuzingatia maandishi makuu ya utafiti uliopakiwa, mbinu ya majaribio, fomula, jedwali la washiriki, uchanganuzi wa katikati ya utegemezi wa hali halisi, grafu za maumbo ya nyayo bandia, picha za benchi, mikunjo ya nguvu–uhamisho na uhamisho wa mlalo–wima, uchanganuzi wa Bland–Altman, grafu za kujenga upya, milinganyo ya ziada, majadiliano na hitimisho. Matokeo ya kliniki, ubora wa utendaji, hatari ya jeraha au mapendekezo ya bidhaa za kibiashara yasiyokuwapo katika utafiti hayajaongezwa.

Mapungufu makuu ya utafiti ni kutegemea sampuli ndogo na ya kiwango cha juu ya wanariadha, jiometri ya nyayo bandia kubadilika sambamba na kiwango cha kukatwa kiungo, kujaribu nyayo bandia sita tu kwenye benchi, jaribio kuwa la nusu-tuli, kutokujenga upya historia yote ya upakiaji ya kukimbia halisi, na kipimo cha BR kutothibitishwa moja kwa moja dhidi ya kigezo kinacholingana kimekanika katika kukimbia halisi.

Katika chanzo kuna tofauti ndogo za uhariri kuhusu pembe ya wastani ya klampu na mgandamizo wa wima wa nyayo bandia za umbo la C, pamoja na jina la kifaa katika Kielelezo 13. Tofauti hizi hazijafichwa katika makala na zimeelezwa wazi katika sehemu husika.

Mbinu iliyopendekezwa ni mfumo wa kwanza wa kulinganisha nyayo bandia za kukimbia kimekanika kwa njia ya kiobjektivu chini ya hali ya pamoja ya rejea. Ili mbinu itumike katika uagizaji wa kliniki wa nyayo bandia, usanifishaji wa ISO au uboreshaji wa utendaji, uthibitishaji huru unahitajika kwa modeli zaidi za nyayo bandia, makundi ya wanariadha, upangaji, nyuso na hali za upakiaji wa kidinamiki.