Тадқиқот дар як зонуи протезии трансфеморалӣ, ки аз демпфери моеъи магнитореологӣ (MR) истифода мекунад, се равиши идоракунии сатҳи моменти қувваро дар як чаҳорчӯбаи ягонаи модел муқоиса мекунад: идоракунии feedforward-и ба модел асосёфта, идоракунии robust inverse-dynamics ва идоракунии adaptive inverse-dynamics. Дар кор модели дупайвандаки по дар ҳамворӣ бо усули Lagrange сохта шуда, барои тахмини кунҷи дилхоҳи зону аз ҳаракати рон полиноми дараҷаи сеюм таҳия гардидааст ва табдили қувваи MR damper ба моменти буғуми зону ба таври геометрӣ ҳосил карда шудааст. Дар симулятсияҳо adaptive inverse-dynamics хурдтарин хатои пайгирии кунҷи зонуро дод, вале баландтарин саъйи идоракуниро талаб кард; robust inverse-dynamics бошад, мувофиқи гузориши муҳаққиқон, иҷрои пайгирии наздик ба усули adaptive-ро бо тақрибан 12% камтар энергияи идоракунӣ таъмин намуда, дар ин кор мувозинатитарин созиши дақиқӣ–саъйро нишон дод. Натиҷаҳо аз протези физикӣ ё озмоиши роҳравии инсон ба даст наомада, аз моделсозӣ ва симулятсия гирифта шудаанд.
Дар арзёбии актуатсияи кор MR damper ҳамчун унсури асосии нимфаъол истифода мешавад, ки ба ҳаракати зону муқовимати танзимшаванда медиҳад. Азбаски MR damper ба системаи механикӣ энергияи мусбат дода наметавонад, вақте ки моменти талабкардаи контроллер бо шарти кори энергияпарокани дампер мувофиқ нест ё аз иқтидори дампер мегузарад, муҳаррики ёрирасони DC моменти боқимондаро таъмин мекунад. Аз ин рӯ, кор равиши актуатсияи гибридиро арзёбӣ мекунад, ки вазифаҳоро байни MR damper ва муҳаррики фаъол аз рӯи нақши физикии онҳо тақсим мекунад.
Манба бо истифода аз кунҷҳои рон ва зону дар маълумоти роҳравӣ барои марҳилаҳои stance ва swing тахмингарҳои алоҳидаи кубикии hip-to-knee сохтааст. Муҳаққиқон полиномҳоро аз дараҷаи якум то дараҷаи шашум бо RMSE муқоиса карда, ба сабаби маҳдуд будани беҳбуд пас аз дараҷаи сеюм модели кубикиро интихоб кардаанд. Дар арзёбии минбаъдаи идоракунӣ барои ҳар се контроллер қиматҳои умумии \(k_p=k_d=10\) истифода шудаанд; ин интихоб бо таҳлили ҳассосият, ки 25 ҷуфти гуногуни gain-ро фаро мегирад, дастгирӣ шудааст.
Дар Расми 17 хатои RMS-и кунҷи зону барои идоракунии feedforward тақрибан дар сатҳи 2° аст, дар ҳоле ки хатои контроллерҳои robust ва adaptive тақрибан дар сатҳи 1,5° мебошад. Дар Расми 18 контроллери adaptive баландтарин энергияи нормашудаи идоракуниро нишон медиҳад, контроллери robust бошад пасттарин қиматро. Мувофиқи бахши натиҷаҳои манба, энергияи идоракунии равиши robust нисбат ба усули adaptive тақрибан 12% пасттар аст.
Арзёбӣ аз нуқтаи назари Туркия: Усули кор метавонад барои гурӯҳҳои илмӣ ва саноатие, ки дар Туркия дар самти зонуи протезӣ, роботикаи реабилитатсионӣ, актуаторҳои ба маводи ҳушманд асосёфта ва системаҳои мехатроникии пӯшидашаванда кор мекунанд, чаҳорчӯбаи муфиди идоракунӣ-моделсозиро пешниҳод намояд. Баррасии якҷояи MR damper, ки муқовимати нимфаъоли камқувват ба вуҷуд меорад, бо муҳаррики ёрирасоне, ки танҳо ҳангоми зарурат фаъол мешавад, барои таҳқиқи муомилаи байни истифодаи энергия ва массаи дастгоҳ муҳим аст. Аммо кор дар шароити корбари воқеӣ, қувваи воқеии реаксияи замин, таъсири мутақобили socket–residual limb, садои сенсор, таъхири иртибот, умри батарея ва ҳудудҳои гармӣ санҷида нашудааст. Аз ин рӯ аз натиҷаҳо мустақиман муваффақияти клиникӣ, роҳравии бехатар ё давомнокии воқеии истифода хулоса кардан мумкин нест.
Саволи асосии тадқиқот чист?
Саволи равшани тадқиқотӣ ин аст, ки оё дар зери ҳамон модели зонуи протезии дорои MR damper идоракунии robust inverse-dynamics метавонад байни feedforward ва adaptive inverse-dynamics созиши беҳтари дақиқии пайгирӣ–саъйи актуатор таъмин кунад ё не.
Гипотезаи кории муҳаққиқон ду қисм дорад. Интизор меравад, ки идоракунии adaptive inverse-dynamics ба шарофати навсозии онлайнии параметрҳо пасттарин хатои пайгириро ба вуҷуд меорад. Идоракунии robust inverse-dynamics бошад, интизор меравад бо ҷуброни bounded-uncertainty дақиқии наздик ба усули adaptive-ро бо саъйи камтари идоракунӣ таъмин кунад.
Мақола даъво намекунад, ки назарияи нави идоракунии inverse-dynamics таҳия кардааст. Саҳми илмӣ дар он аст, ки се равиши мавҷудаи идоракунӣ дар як модели протез, як trajectory-и истинодӣ, як интихоби gain-и асосӣ ва як чаҳорчӯбаи умумии actuator feasibility ҷойгир ва муқоиса карда шудаанд.
Чаро MR damper истифода мешавад?
Моеъҳои магнитореологӣ моеъҳое мебошанд, ки зарраҳои ферромагнитӣ доранд ва ҳангоми татбиқи майдони магнитӣ хусусиятҳои реологии онҳо зуд тағйир меёбад. Дар MR damper бо тағйири ҷараёни ғалтак муқовимате, ки дампер ба ҳаракат нишон медиҳад, танзим карда мешавад.
Ин хусусият барои зонуи протезӣ ду бартарӣ медиҳад: муқовимати ҳаракат метавонад дар марҳилаҳои гуногуни давраи роҳравӣ тағйир дода шавад ва ин танзим кори механикии пайвастаи як муҳаррики пурра фаъолро талаб намекунад.
Бо ин ҳама, маҳдудияти муҳими физикии MR damper он аст, ки унсури энергияпарокан аст. Он метавонад энергияи механикиро аз система дур кунад, аммо ҳангоми зарурат ба буғум кори фаъол дода наметавонад. Сабаби асосии илова кардани муҳаррики ёрирасони DC дар ин кор ҳамин аст.
Давраи роҳравӣ чӣ гуна баррасӣ шуд?
Дар модели манба тақрибан 55% давраи роҳравӣ stance ва 45%-и боқимонда swing қабул шудааст. Дар Расми 1-и тадқиқот рӯйдодҳои heel contact, foot flat, mid-stance, heel-off, toe-off ва mid-swing нишон дода мешаванд; сарҳади stance–swing тақрибан дар нуқтаи 55%-и давра муайян карда мешавад.
Ин ҷудокунии фазаҳо дар муқоисаи идоракунӣ пешакӣ маълум қабул шудааст. Барои истифодаи вақти воқеӣ қоидаи одии остона дар асоси кунҷи рон пешниҳод шудааст, аммо ин механизми муайянкунии фаза дар ин кор нисбат ба садои сенсор, таъхир ё таснифи нодуруст тасдиқ нашудааст.
Trajectory-и истинодии зону чӣ гуна ба даст оварда шуд?
Азбаски дар корбари transfemoral истифодаи мустақими ҳаракати биологии зону имкон надорад, кор аз равиши полиномӣ истифода мекунад, ки кунҷи зону аз кунҷи рон тахмин карда мешавад. Маълумоти истинодии роҳравии рон ва зону аз кори қаблӣ гирифта шудааст; аммо дараҷаи полином ва коэффициентҳо дар ин кор аз нав муайян шудаанд.
Кунҷи зону чунин модел карда шудааст:
\[ \hat{\theta}_2= \sum_{i=0}^{n}c_i\theta_1^i = C^T\Phi(\theta_1) \]
Дар ин ҷо \(\theta_1\) кунҷи рон, \(\hat{\theta}_2\) кунҷи тахминии зону, \(c_i\) коэффициентҳои полином ва \(n\) дараҷаи полиномро ифода мекунад.
Коэффициентҳо бо ҳалли least-squares, ки хатои L2 байни кунҷи ченшудаи зону ва кунҷи тахминии зонуро кам мекунад, муайян шудаанд.
Чаро полиноми дараҷаи сеюм интихоб шуд?
Дар Расми 2-и кор ҳангоми баланд бурдани дараҷаи полином аз 1 то 6 қиматҳои RMSE барои stance ва swing муқоиса шудаанд. Хато махсусан байни се дараҷаи аввал ба таври равшан коҳиш меёбад, вале пас аз дараҷаи сеюм фоида хурд мешавад.
Аз ин рӯ, муҳаққиқон нисбат ба коҳиши маҳдуди иловагии хатое, ки моделҳои дараҷаи баландтар медиҳанд, модели содатари дараҷаи сеюмро интихоб кардаанд.
| Фазаи роҳравӣ | c0 | c1 | c2 | c3 |
|---|---|---|---|---|
| Swing | 0,152 | 0,082 | 2,957 | −7,741 |
| Stance | 0,522 | 4,024 | −3,843 | −38,048 |
Дар манба кунҷҳои рон ва зону дар ин ҷадвали коэффициентҳо бо радиан дода шудаанд.
Trajectory-и тахминии зону маълумоти истинодиро то чӣ андоза пайгирӣ кард?
Дар Расми 4 кунҷи воқеии истинодии зону ва пешгӯии модели кубикӣ дар тамоми gait cycle ба ҳам наздик ҳаракат мекунанд. Хусусан дар вақти swing профили калони флексияи зону, ки аз 50° мегузарад, низ аз ҷониби модел пайгирӣ мешавад.
Дар Расми 5 ҳамин муносибат дар ҳамвории hip angle–knee angle нишон дода шуда, дида мешавад, ки давраҳои ҷудогонаи stance ва swing аз тарафи каҷҳои тахминшуда дар маҷмӯъ пайгирӣ мешаванд.
Ин натиҷа нишон медиҳад, ки тахмингари trajectory барои истеҳсоли reference дар симулятсияи идоракунии кор кофӣ ҳисобида шудааст; ин тасдиқи мустақили гирифташуда аз сенсорҳои протез дар вақти воқеӣ нест.
Модели динамикии пои протезӣ чӣ гуна сохта шуд?
Модел ҳамворӣ ва ду пайвандак дорад. Координатаҳои умумӣ кунҷи рон \(\theta_1\) ва кунҷи зону \(\theta_2\) мебошанд. Система бо усули энергияи Lagrange моделсозӣ шудааст:
\[ L=T-V \]
ва муодилаи умумии ҳаракат чунин навишта шудааст:
\[ \frac{\partial L}{\partial q_i} - \frac{d}{dt} \left( \frac{\partial L}{\partial \dot{q}_i} \right) + F_i=0 \]
Муодилаҳои ҳаракат барои ду буғум дар шакли матритсавӣ чунин ифода шудаанд:
\[ \begin{bmatrix} M_{11} & M_{12}\\ M_{21} & M_{22} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \ddot{\theta}_1\\ \ddot{\theta}_2 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} C_1\\ C_2 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} G_1\\ G_2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & -1\\ 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \tau_1\\ \tau_2 \end{bmatrix} \]
баён шудааст.
Чаро масъалаи идоракунӣ танҳо ба муодилаи зону оварда мешавад?
Дар кор фарз шудааст, ки корбар ҳаракати ронро худ ба тавре таъмин мекунад, ки typical gait pattern ба вуҷуд ояд. Аз ин рӯ, тағйирёбандаи мустақиме, ки протез идора мекунад, моменти зону аст.
Муодилаи дуюми ҳаракат ба шакли зерин оварда шудааст:
\[ M_{12}\ddot{\theta}_1 + M_{22}\ddot{\theta}_2 + C_2 + G_2 = \tau_{MR}+\tau_{DC} = \tau_c \]
Дар ин ҷо \(\tau_{MR}\) моменти нимфаъоле мебошад, ки MR damper ба вуҷуд меорад; \(\tau_{DC}\) моменти муҳаррики ёрирасони DC ва \(\tau_c\) моменти умумии идоракунии зону мебошад.
Қувваи MR damper чӣ гуна ба моменти зону табдил меёбад?
Кор қувваи MR damper-ро бевосита моменти зону қабул накардааст; геометрияи механизмро ба ҳисоб гирифтааст.
Муносибати асосӣ чунин аст:
\[ \tau_{MR} = r_{eff}F_{MR}\sin(\alpha_{MR}) \]
Ҳангоми истифодаи муносибатҳои геометрии секунҷа шакли пӯшида чунин ҳосил мешавад:
\[ \tau_{MR} = \frac{ r_{eff}l_s\cos(\delta\theta) }{ \sqrt{ r_{eff}^2+l_s^2- 2r_{eff}l_s\sin(\delta\theta) } } F_{MR} \]
Дар ин ҷо \(r_{eff}\) бозуи самарабахши момент, \(l_s\) дарозии пайванд дар геометрияи механизм, \(\delta\theta=\theta_2-\theta_1\) кунҷи нисбии буғум ва \(F_{MR}\) қувваи дамперро ифода мекунад.
Идоракунии feedforward чӣ гуна кор мекунад?
Идоракунии feedforward бо истифода аз динамикаи тахминии протез моменти заруриро пешакӣ ҳисоб мекунад:
\[ \tau_{ff} = \hat{M}_{12}\ddot{\theta}_1 + \hat{M}_{22}\ddot{\theta}_2^d + \hat{C}_2 + \hat{G}_2 \]
Ба ин узв feedback-и PD илова мешавад:
\[ \tau= \tau_{ff} + k_p(\theta_2^d-\theta_2) + k_d(\dot{\theta}_2^d-\dot{\theta}_2) \]
Агар модел ба воқеият кофӣ наздик бошад, хатои идоракунӣ метавонад хурд шавад. Аммо заъфи асосии равиши feedforward вобастагӣ ба дуруст маълум будани параметрҳои динамикӣ аст. Манба махсусан қайд мекунад, ки friction-и Coulomb, backlash ва дигар таъсирҳои моделнашуда метавонанд иҷроишро паст кунанд.
Идоракунии robust inverse-dynamics чӣ фарқ дорад?
Усули robust сохтори модели номиналиро нигоҳ медорад, аммо барои фурӯ нишондани таъсири номуайянӣ ба шитоби reference як ислоҳи иловагии \(\delta_a\) ворид мекунад:
\[ \ddot{\theta}_2^r = \ddot{\theta}_2^d + \delta_a + k_d\dot{e} + k_pe \]
Моменти идоракунӣ чунин ҳисоб мешавад:
\[ \tau= \tau_{fl} + \hat{M}_{22}\ddot{\theta}_2^r \]
Барои ҷуброни номуайянӣ ҳадди болоии \(\rho\) истифода мешавад. Дар озмоиши robust-и кор norm-и lumped parameter error 1,1321 ва ҳадди номуайянии интихобшуда чунин дода шудааст:
\[ \rho=3 \]
Бо ин тартиб шарти bounded-uncertainty-и истифодашуда дар манба, яъне \(\rho\geq\|\pi_{true}-\pi_{estim}\|_2\), иҷро мешавад.
Идоракунии adaptive inverse-dynamics чӣ мекунад?
Равиши adaptive ба ҷои он ки тахминҳои параметрии дорои хатои доимиро танҳо бо узви robust фурӯ нишонад, тахминҳои параметрҳои динамикиро ҳангоми идоракунӣ нав мекунад.
Динамикаи робот нисбат ба параметрҳо ба шакли хаттӣ чунин навишта мешавад:
\[ M(\Theta)\ddot{\Theta} + C(\Theta,\dot{\Theta}) + G(\Theta) = Y(\Theta,\dot{\Theta},\ddot{\Theta})\Pi \]
Барои протез вектори параметрҳо чунин аст:
\[ \Pi= \begin{bmatrix} M_2a_2l_1\\ I_2+M_2a_2^2\\ M_2a_2l_1\\ M_2a_2 \end{bmatrix} \]
Adaptive control дар ҳар қадами идоракунӣ тахминҳои параметрҳоро нав карда, мекӯшад арзёбии мустақими номуайяниро беҳтар намояд.
Gain-ҳои контроллер чӣ гуна одилона интихоб шуданд?
Муҳаққиқон қиматҳои \(k_p\) ва \(k_d\)-ро тасодуфӣ ё танҳо бо trial-and-error интихоб накардаанд. Ҳар ду gain дар маҷмӯи зерин скан карда шудаанд:
\[ \{2,5,10,20,50\} \]
ва барои ҳар контроллер дар маҷмӯъ:
\[ 5\times5=25 \]
комбинатсияи gain арзёбӣ шудааст.
Дар ҳар комбинатсия ду меъёр ҳисоб шудааст:
- хатои RMS-и пайгирии кунҷи зону,
- энергияи интегралшудаи идоракунӣ.
Холи умумии trade-off чунин таъриф шудааст:
\[ S(k_p,k_d) = \frac{RMS(k_p,k_d)} {\max RMS} \times \frac{E(k_p,k_d)} {\max E} \]
Холи пасттар маънои ба даст омадани ҳамзамони хатои паст ва саъйи пасти идоракуниро дорад.
Харитаҳои гармии Расмҳои 11–13 нишон медиҳанд, ки интихоби \(k_p=k_d=10\) барои ҳар се контроллер дар минтақаи trade-off-и паст қарор дорад. Барои пешгирӣ аз бартарии controller-specific tuning дар муқоиса, ҳамон gain-ҳо дар ҳамаи контроллерҳо нигоҳ дошта шудаанд.
Сенарияҳои номуайянӣ яксон буданд?
Комилан не. Ин нуқта ҳангоми тафсири натиҷаҳои кор муҳим аст.
Norm-и ибтидоии lumped parameter error барои контроллери adaptive чунин дода шудааст:
\[ \|\pi_{true}-\pi_{estim}\|_2=0,0253 \]
Барои контроллери robust бошад:
\[ \|\pi_{true}-\pi_{estim}\|_2=1,1321 \]
истифода шудааст.
Муҳаққиқон равшан мегӯянд, ки adaptive control-ро дар шароити “moderate initial parameter mismatch” ва robust control-ро дар шароити bounded uncertainty-и калонтар арзёбӣ кардаанд. Аз ин рӯ, гарчанде натиҷаҳо бо reference trajectory ва gain-ҳои умумӣ истеҳсол шудаанд, бузургии номуайянии параметрӣ барои контроллерҳо комилан яксон нест.
Пайгирии кунҷи зону чӣ нишон дод?
Дар Расми 14 кунҷи дилхоҳи зону бо trajectory-ҳое, ки се контроллер ба вуҷуд овардаанд, дар тамоми давраи роҳравӣ муқоиса шудааст. Каҷҳои feedforward, robust ва adaptive шакли умумии gait-ро пайгирӣ мекунанд, аммо дида мешавад, ки контроллерҳои robust ва adaptive ба reference trajectory наздиктар мемонанд.
Дар Расми 17 хатои RMS-и feedforward тақрибан дар сатҳи 2°, robust ва adaptive бошад тақрибан дар сатҳи 1,5° нишон дода шудааст. Контроллери adaptive дар байни се равиш пасттарин хатои RMS-и пайгириро ба вуҷуд овардааст.
Дар бахши натиҷаҳои манба гуфта мешавад, ки иҷрои пайгирии robust control дар ҳудуди 2,5%-и adaptive method боқӣ мондааст. Азбаски қиматҳои дақиқи RMS дар ҷадвали рақамии алоҳида дода нашудаанд, ин фоиз бояд ҳамчун натиҷаи муқоисавии гузоришшудаи муаллифон арзёбӣ шавад.
Чаро энергияи идоракунӣ алоҳида чен карда шуд?
Хатои пасти кунҷи зону барои протези пӯшидашаванда танҳо худ ба худ нишондиҳандаи кофии иҷроиш нест. Ҳаракатҳои идоракунии хашмгинтар метавонанд аз мотор, драйвер ва батарея энергияи бештар талаб кунанд.
Иш саъйи идоракуниро чунин таъриф мекунад:
\[ E_{control} = \int_0^T\tau^2dt \]
Дар Расми 18 энергияи нормашудаи идоракунии контроллери adaptive баландтарин, аз они robust бошад пасттарин аст. Муҳаққиқон хабар медиҳанд, ки robust control нисбат ба adaptive method тақрибан 12% камтар энергияи идоракунӣ талаб мекунад.
Чаро robust control ҳамчун “беҳтарин созиш” арзёбӣ шуд?
Adaptive control пасттарин хатои пайгириро таъмин кард, аммо ин беҳбуд бо энергияи баландтари идоракунӣ ба даст омад. Robust control бошад, мувофиқи натиҷаҳои гузоришшуда дар манба, иҷрои пайгирии наздик ба adaptive method-ро бо саъйи камтари актуатор таъмин кард.
Аз ин рӯ, ибораи “беҳтарин” дар ин кор танҳо маънои пасттарин хаторо надорад. Муҳаққиқон ҳангоми арзёбии якҷояи ду меъёри муҳандисӣ robust inverse-dynamics control-ро беҳтарин accuracy–effort compromise тафсир мекунанд.
Ин натиҷа танҳо барои модели истифодашуда, gain-ҳо, номуайяниҳои параметрӣ ва шароити reference gait trajectory эътибор дорад.
Оё MR damper тамоми моменти роҳравиро таъмин карда метавонад?
Не. Азбаски MR damper танҳо моменти energy-dissipating дода метавонад, дар ҳамаи қисмҳои давраи роҳравӣ моменти зарурии зонуро танҳо таъмин карда наметавонад.
Дар кор ҳолате, ки MR damper метавонад истифода шавад, бо мантиқи аломат чунин муайян шудааст:
\[ \tau_{cmd}\dot{\theta}_2>0 \]
Вақте ки ин шарт иҷро мешавад, дампер то ҳадде ки иқтидораш имкон медиҳад, моменти талабшударо ба ӯҳда мегирад. Вақте шарт иҷро намешавад, моменти MR ба сифр оварда шуда, моменти зарурӣ аз тарафи муҳаррики ёрирасон дода мешавад.
Қонуни тақсим чунин аст:
\[ \tau_{MR} = \begin{cases} \operatorname{sgn}(\tau_{cmd}) \min(|\tau_{cmd}|,|\tau_{MR,max}|), & \tau_{cmd}\dot{\theta}_2>0 \\ 0, & \tau_{cmd}\dot{\theta}_2\leq0 \end{cases} \]
ва:
\[ \tau_{DC} = \tau_{cmd}-\tau_{MR} \]
дода шудааст.
Талаби қувваи MR damper чӣ буд?
Дар Расми 16 қувваи эквивалентии дампер, ки се контроллер талаб мекунанд, дар тамоми давраи роҳравӣ нишон дода шудааст. Муҳаққиқон изҳор мекунанд, ки дар stance талаби қувваи қуллаӣ тақрибан 120 N дар доираи қувваи дастрас барои тарҳи қаблан оптимизатсияшудаи MR damper мебошад.
Бо вуҷуди ин, ин арзёбии feasibility ба таҷрибаи физикии дампере, ки дар ҳамин кор сохта ва аз нав санҷида шудааст, асос намеёбад; он ба муқоисаи моделӣ бо хусусиятҳои тарҳи пешинаи дампер такя мекунад.
Ҷараёни ғалтаки MR damper чӣ гуна муайян мешавад?
Дар кор калибркунии yield-torque-и вобаста ба ҷараён барои MR damper чунин дода шудааст:
\[ \tau_y(I) = -2,2836I^2 + 20,6303I \]
Ин муносибат дар манба барои \(0\leq I\leq I_{max}\) муайян шудааст. Расми 20 нишон медиҳад, ки ҷараёни зарурии ғалтаки MR damper дар давоми роҳравӣ, хусусан дар қисмати stance, тағйир меёбад.
Муҳаррики DC кай фаъол мешавад?
Дар Расми 19 моменти MR damper ва мотор ҷудогона нишон дода шудааст. MR damper махсусан дар минтақаи кори энергияпарокан муқовимат медиҳад, DC motor бошад дар фосилаҳое фаъол мешавад, ки дампер аз ҷиҳати физикӣ момент ҳосил карда наметавонад.
Мувофиқи тафсири кор, ниёзи муҳаррики ёрирасон хусусан дар swing phase ва дар фосилаҳое, ки ба система энергияи механикии фаъол додан лозим аст, намоён мебошад.
Дар механизми муҳаррики интихобшуда таносуби редуктории 156:1 истифода шудааст. Расми 21 профили суръати кунҷии моторро дар зери ин таносуб нишон медиҳад.
Арзиши меъмории гибридӣ чист?
Истифодаи афзалиятноки MR damper метавонад ниёзи моменти доимии муҳаррики фаъолро кам кунад. Аммо илова кардани DC motor ба система чунин унсурҳои иловагиро талаб мекунад:
- мотор,
- редуктор,
- драйвери мотор,
- электроникаи қувва,
- бори батарея,
- ҳамоҳангсозии идоракунӣ
Муҳаққиқон аз ин рӯ сохторро танҳо ҳамчун “протези нимфаъоли арзон” пешниҳод намекунанд. Масса, арзиш, пӯшидашавандагӣ, нигоҳдорӣ, эътимоднокӣ ва давомнокии батарея бояд дар сатҳи прототипи физикӣ ҷудогона арзёбӣ шаванд.
Натиҷаҳое, ки кор дастгирӣ мекунад
- Модели полиномии кубикии hip-to-knee тавонист trajectory-и зонуи маълумоти reference gait-ро барои мақсади симулятсия ба таври наздик ифода кунад.
- Feedforward, robust inverse-dynamics ва adaptive inverse-dynamics control дар як модели асосии динамикии протез татбиқ карда шуданд.
- Adaptive inverse-dynamics дар байни се усули кор пасттарин хатои RMS-и пайгириро дод.
- Adaptive inverse-dynamics ҳамзамон баландтарин энергияи идоракуниро талаб кард.
- Robust inverse-dynamics дар манба бо иҷрои пайгирии наздик ба adaptive method ва тақрибан 12% камтар энергияи идоракунӣ гузориш шудааст.
- MR damper аз ҷиҳати физикӣ тамоми ниёзи моментро дар давраи роҳравӣ танҳо қонеъ карда наметавонад.
- Дар тақсимоти моменти MR-priority муҳаррики ёрирасони DC талаботи моментиеро, ки ба шарти кори энергияпарокани дампер мувофиқ нест ё аз иқтидори он мегузарад, пурра мекунад.
- Дар stance қувваи қуллаии дампер тақрибан 120 N бо иқтидори MR damper-и қаблан истифодашудаи муҳаққиқон мувофиқ дониста шудааст.
Натиҷаҳое, ки кор дастгирӣ намекунад ё насанҷидааст
- Нишон дода нашудааст, ки robust inverse-dynamics control дар корбарони воқеии протез аз ҷиҳати клиникӣ бартарӣ дорад.
- Дар прототипи физикии пои протезӣ озмоиши роҳравӣ гузаронида нашудааст.
- Дар иштирокчии инсон ё корбари ампутатсияшуда санҷиш иҷро нашудааст.
- Stumble recovery, хатари афтидан ё амнияти клиникӣ чен карда нашудааст.
- Тағйирёбии ground-reaction force ба модел дохил нашудааст.
- Таъсири socket–residual limb модел нашудааст.
- Садои сенсор ва таъхири сенсор ба муқоисаи идоракунӣ дохил нашудааст.
- Таъсири таснифи нодурусти gait-phase дар вақти воқеӣ санҷида нашудааст.
- Динамикаи actuator saturation дар таҷҳизоти физикӣ тасдиқ нашудааст.
- Давомнокии батарея ва истеъмоли воқеии энергияи барқ чен карда нашудааст.
- Рафтори гармии мотор ва ғалтаки MR ба таври таҷрибавӣ таҳқиқ нашудааст.
- Натиҷаҳои манба ба ҳамаи суръатҳои роҳравӣ ё ҳамаи антропометрияҳои корбар умумӣ карда нашудаанд.
Усул ва натиҷаҳои кор
Ҷараёни тадқиқот
Verianla Live: Аз ҳаракати рон то моменти гибридии зонуи протезӣ
Ин раванд занҷири моделсозӣ ва идоракуниеро нишон медиҳад, ки дар кор истифода шудааст. Раванд озмоиши физикии инсон нест, балки раванди симулятсияест, ки ба маълумоти reference gait ва модели динамикии протез асос ёфтааст.
| Марҳила | Шарҳ | Манба |
|---|---|---|
| 1. Маълумоти reference gait | Кунҷҳои рон ва зону аз маҷмӯаи қаблии маълумоти gait гирифта мешаванд. | Бахш 2.2, Расм 3–5 |
| 2. Фазаи gait | Барои stance ва swing коэффициентҳои алоҳидаи полиномии hip-to-knee истифода мешаванд. | Ҷадвал 3 |
| 3. Тахмини trajectory-и зону | Полиноми дараҷаи сеюм аз кунҷи рон кунҷи дилхоҳи зонуро тавлид мекунад. | Муодила 1–5 |
| 4. Динамикаи протез | Пои ду пайвандаки ҳамворӣ бо усули Lagrange модел мешавад. | Муодила 6–24 |
| 5. Контроллер | Feedforward, robust inverse-dynamics ё adaptive inverse-dynamics фармони моментро ҳисоб мекунад. | Бахш 3 |
| 6. Табдили қувва–момент | Қувваи MR damper мувофиқи геометрияи механизм ба моменти зону табдил мешавад. | Муодила 25–29 |
| 7. Тақсимоти MR-priority | Ҳангоми имкон моменти dissipative аввал аз ҷониби MR damper таъмин мешавад. | Муодила 45 |
| 8. Моменти фаъол ёрирасон | Моменти боқимондаи таъминнашудаи MR damper аз ҷониби DC motor истеҳсол мешавад. | Расм 19–21 |
Фарзияҳои асосии кор
| Унсури моделсозӣ | Фарзия дар кор |
|---|---|
| Ченкунии сенсорҳо | Кунҷҳои идеалии рон ва зону истифода шудаанд. |
| Фазаи gait | Дар муқоисаи идоракунӣ фазаҳои stance/swing маълум қабул шудаанд. |
| Таъхири иртибот ва ҳисоб | Модел нашудааст. |
| Маҳдудиятҳои актуатор | Feasibility-и қувваи MR ва моменти DC motor арзёбӣ шудааст. |
| Таъсири мутақобили корбар/муҳит | Socket, ground reaction ва таъсири мутобиқшавӣ модел нашудаанд. |
Gain-ҳои умумии идоракунӣ
| Параметр | Қимат |
|---|---|
| Proportional gain \(k_p\) | 10 |
| Derivative gain \(k_d\) | 10 |
| Қиматҳои номзади таҳлили ҳассосият | 2, 5, 10, 20, 50 |
| Ҷуфти gain барои ҳар контроллер | 25 |
Дар Расмҳои 11–13 ҷуфти gain-и \(10,10\) бо қуттии сурх нишон дода шуда, барои ҳамаи контроллерҳо дар минтақаи trade-off-и паст ҷойгир аст.
Маҷмӯаҳои асосии параметрҳои физикӣ дар манба
Аз ҷиҳати такроршавандагии кор, нуқтаи муҳим он аст, ки дар Ҷадвали 4 ва ҷадвалҳои номуайянӣ қиматҳои гуногуни параметрҳои физикӣ мавҷуданд.
| Параметр | Қимати Ҷадвали 4 | Ҷадвали 5/7 “True Value” |
|---|---|---|
| Массаи рон | 1,02 kg | 5,60 kg |
| Массаи shank/протез | 2,36 kg | 4,80 kg |
| Масофа аз хип то COM-и рон | 0,3591 m | 0,4200 m |
| Дарозии рон | 0,4591 m | 0,6000 m |
| Масофа аз зону то COM-и shank/протез | 0,1637 m | 0,1820 m |
| I1 | 0,0982 kg·m² | 0,0982 kg·m² |
| I2 | 0,0402 kg·m² | 0,0402 kg·m² |
Манба гузариш байни параметрҳои Ҷадвали 4 ва қиматҳои “ҳақиқӣ”-и plant дар ҷадвалҳои минбаъдаи номуайяниро равшан шарҳ намедиҳад. Аз ин рӯ, ду маҷмӯаи параметр набояд ҳамчун як маҷмӯаи қатъӣ муттаҳид карда шаванд.
Номуайянии ибтидоӣ барои adaptive control
| Параметри lumped | Қимати ҳақиқӣ | Тахмини ибтидоӣ | Хато (%) |
|---|---|---|---|
| \(\pi_1\) | 0,5242 | 0,5069 | 3,29 |
| \(\pi_2\) | 0,1992 | 0,2046 | 2,69 |
| \(\pi_3\) | 0,5242 | 0,5069 | 3,29 |
| \(\pi_4\) | 8,5613 | 8,5652 | 0,05 |
Дар манба norm-и ибтидоии lumped parameter estimation error барои adaptive 0,0253 дода шудааст.
Номуайянӣ барои robust control
| Параметри lumped | Қимати ҳақиқӣ | Қимати тахминӣ | Хато (%) |
|---|---|---|---|
| \(\pi_1\) | 0,5242 | 0,3800 | 27,50 |
| \(\pi_2\) | 0,1992 | 0,1744 | 12,45 |
| \(\pi_3\) | 0,5242 | 0,3800 | 27,50 |
| \(\pi_4\) | 8,5613 | 7,4480 | 13,00 |
Барои robust control norm-и lumped uncertainty 1,1321 ва robust bound \(\rho=3\) истифода шудааст.
Хулосаи хатои пайгирӣ ва саъйи идоракунӣ
| Равиши идоракунӣ | Хатои RMS-и кунҷи зону | Энергияи идоракунӣ | Тафсири умумӣ дар кор |
|---|---|---|---|
| Feedforward | Тақрибан 2° | Аз adaptive пасттар, аз robust баландтар | Дар модели номиналӣ қобили қабул; ба хатои модел ҳассостар |
| Robust inverse-dynamics | Тақрибан 1,5° | Пасттарин дар байни се усул | Мувозинатитарин созиши дақиқӣ–саъй |
| Adaptive inverse-dynamics | Тақрибан 1,5°; пасттарин дар байни се усул | Баландтарин дар байни се усул | Беҳтарин дақиқии пайгирӣ, баландтарин саъйи идоракунӣ |
Қиматҳои RMS аз Расми 17 ва ибораҳои тахминии матни манба омадаанд; манба қиматҳои дақиқи RMS-ро дар ҷадвали рақамии ҷудогона намедиҳад.
Feasibility-и актуатор
| Ҷузъи актуатор | Вазифа дар кор | Маҳдудияти физикӣ |
|---|---|---|
| MR damper | Муқовимат/моментҳои нимфаъоли танзимшаванда | Энергияи механикии мусбат истеҳсол карда наметавонад |
| DC motor | Моменти фаъолеро, ки MR damper таъмин карда наметавонад, пурра мекунад | Масса, энергия, талаботи гармӣ ва драйвер санҷиши физикӣ талаб мекунанд |
Маънои клиникии меъёрҳои муҳандисӣ чӣ гуна маҳдуд карда шуд?
| Меъёри муҳандисӣ | Функсияи марбут барои протез | Тафсир дар кор | Маҳдудияти асосӣ |
|---|---|---|---|
| Хатои пайгирии stance | Trajectory-и зону ҳангоми борбардорӣ | Нишон медиҳад, ки кунҷи дилхоҳ то чӣ андоза хуб нигоҳ дошта мешавад | Ground reaction ва таъсири корбар санҷида нашуд |
| Хатои пайгирии terminal-swing | Ростшавии зону пеш аз heel contact | Наздикшавӣ ба ҳолати terminal-и дилхоҳи зонуро нишон медиҳад | Ченкунии stumble recovery ё амнияти клиникӣ нест |
| Талаби қувва/момент MR | Иқтидори муқовимати нимфаъол | Нишон медиҳад, ки дампер моменти dissipative-и заруриро таъмин карда метавонад ё не | Дампер кори механикии фаъол истеҳсол карда наметавонад |
| Энергияи идоракунӣ | Саъйи актуатор | Қимати пасттар саъйи камтари идоракуниро ифода мекунад | Умри воқеии батарея нест |
| Аломат/feasibility-и момент | Ниёзи актуатсияи гибридӣ | Фосилаҳоеро муайян мекунад, ки MR damper кофӣ нест | Тасдиқи таҷҳизот ва корбарро талаб мекунад |
Маҳдудиятҳои асосии методологӣ
- Муқоисаи идоракунӣ ба симулятсия асос ёфтааст.
- Маълумоти gait-и аслӣ дар ин кор ҷамъоварӣ нашуда, аз манбаи қаблӣ гирифта шудааст.
- Сигналҳои идеалии hip ва knee angle истифода шудаанд.
- Sensor noise модел нашудааст.
- Communication ва computation latency модел нашудааст.
- Хатоҳои таснифи stance/swing дар вақти воқеӣ санҷида нашудаанд.
- Таъсири socket, ground-reaction ва neuromuscular adaptation-и корбар берун аз доира аст.
- Бузургии номуайянии контроллерҳои adaptive ва robust яксон нест.
- Байни parameter set-ҳои физикии Ҷадвали 4 ва ҷадвалҳои номуайянӣ фарқи шарҳнашуда мавҷуд аст.
- Номгузории сегментҳои I1/I2 дар манба муттасил нест.
- MR damper ва DC motor танҳо дар сатҳи force/torque feasibility арзёбӣ шудаанд.
- Actuator saturation dynamics дар таҷҳизоти физикӣ санҷида нашудааст.
- Battery endurance ва thermal limitations арзёбӣ нашудаанд.
- Санҷишҳои физикии benchtop, hardware-in-the-loop ва human-subject ҳамчун кори оянда гузошта шудаанд.
Ёддошти манба ва усул
Номи пурраи аслии кор: Evaluation of Control Methodologies for an MR Damper Prosthetic Leg with Auxiliary Active Torque
Муаллифон: Afrouz Hajimoradi, Hossein Vatandoost, Masoud Roudneshin ва Ramin Sedaghati.
Муаллифони масъул: Afrouz Hajimoradi ва Hossein Vatandoost.
Саҳми баробар/муаллифи якуми баробар: Дар манба чунин изҳорот вуҷуд надорад.
Муассисаҳо:
- Department of Mechanical Engineering, Concordia University, Montreal, Quebec, Canada.
- Department of Mechanical Engineering, McGill University, Montreal, Quebec, Canada.
- Department of Electrical Engineering, Concordia University, Montreal, Quebec, Canada.
Маҷалла: Actuators.
Нашриёт: MDPI, Basel, Switzerland.
Маълумоти библиографӣ: Actuators 2026, 15(6), 302.
Пайванди расмии нашр:MDPI – Actuators 15(6), 302
Санаи нашр: 31 майи 2026. Кор 29 марти 2026 қабул, 16 майи 2026 бозбинӣ ва 26 майи 2026 пазируфта шудааст.
Навъи манба ва ҳолати peer review: Мақолаи тадқиқотии peer-reviewed мебошад, ки дар маҷаллаи Actuators қабул ва нашр шудааст. Аз ҷиҳати усули илмӣ кор асосан ба моделсозии динамикӣ, идоракунӣ ва арзёбии симулятсионӣ асос меёбад.
Литсензия: Creative Commons Attribution (CC BY).
Робита бо нашри қаблӣ: Кор версияи бозбинӣ ва пурра васеъшудаи кори конфронсии “Performance Evaluation of Control Approaches for An MR Damper Prosthetic Leg” мебошад, ки 7–10 июли 2025 дар 19th ERMR Conference дар Montreal пешниҳод шуда буд.
Молиягузорӣ: Дастгирии Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), Grant No. RGPIN-2021-03482 зикр шудааст.
Кумитаи ахлоқ: Қобили татбиқ нест. Кор иштирокчии инсон ё озмоиши ҳайвонотро дар бар намегирад.
Розигии огоҳона: Қобили татбиқ нест. Иштирокчии инсон, маълумоти бемор ё маълумоти шахсан муайяншаванда истифода нашудааст.
Дастрасии маълумот: Муаллифон изҳор мекунанд, ки ҳамаи маълумоти дастгиркунандаи натиҷаҳо дар дохили мақола мавҷуд аст.
Ихтилофи манфиатҳо: Муаллифон изҳор мекунанд, ки дар робита ба тадқиқот, муаллифӣ ё нашр ихтилофи эҳтимолии манфиатҳо вуҷуд надорад.
Саҳмҳои муаллифон: Консептуализатсия Afrouz Hajimoradi ва Ramin Sedaghati; методология Afrouz Hajimoradi, Hossein Vatandoost ва Masoud Roudneshin; нармафзор Afrouz Hajimoradi; тасдиқ Afrouz Hajimoradi, Masoud Roudneshin ва Ramin Sedaghati; таҳлили расмӣ Afrouz Hajimoradi; тадқиқот Afrouz Hajimoradi, Hossein Vatandoost ва Masoud Roudneshin; омодасозии маълумот Afrouz Hajimoradi ва Masoud Roudneshin; draft-и аввал Afrouz Hajimoradi ва Hossein Vatandoost; бозбинӣ ва таҳрир Ramin Sedaghati, Hossein Vatandoost ва Masoud Roudneshin; визуализатсия Afrouz Hajimoradi; машварат, идоракунии лоиҳа ва дарёфти маблағ аз ҷониби Ramin Sedaghati анҷом шудааст.
Доираи илмӣ: Кор стратегияҳои feedforward, robust inverse-dynamics ва adaptive inverse-dynamics control-ро барои зонуи протезии transfemoral бо MR damper дар як модели динамикии умумӣ муқоиса мекунад. Саҳми кор таҳияи қонуни нави идоракунӣ нест, балки арзёбии усулҳои мавҷуда дар чаҳорчӯбаи умумии gait trajectory, модели динамикӣ, gain-selection ва actuator-feasibility мебошад.
Маҳдудияти клиникӣ: Кор gait restoration, роҳатии корбар, амнияти афтидан ё иҷрои клиникии протезро дар инсон арзёбӣ накардааст. Хатои RMS-и пайгирӣ ва энергияи идоракунӣ танҳо меъёрҳои муқоисавии сатҳи муҳандисӣ мебошанд.
Маҳдудияти актуатсия: MR damper ҳамчун унсури нимфаъол ва dissipative модел шудааст; он ба система энергияи мусбати механикӣ дода наметавонад. Вақте моменти зарурӣ бо шарти кори физикӣ ё иқтидори дампер мувофиқ нест, моменти боқимонда аз ҷониби муҳаррики ёрирасони DC таъмин мешавад.
Ёддошти муқоисаи номуайянӣ: Гарчанде манба контроллерҳоро дар чаҳорчӯбаи муқоисавии умумӣ пешниҳод мекунад, барои adaptive controller norm-и lumped parameter error 0,0253 ва барои robust controller 1,1321 дода шудааст. Аз ин рӯ, усулҳо зери parameter uncertainty-и якхела санҷида нашудаанд.
Ёддошти носозгории параметрҳо: Параметрҳои асосии физикии Ҷадвали 4 аз параметрҳои plant дар сутунҳои “True Value”-и Ҷадвалҳои 5 ва 7 ба таври назаррас фарқ мекунанд. Масалан, массаи рон 1,02 kg ва 5,60 kg, массаи shank/протез 2,36 kg ва 4,80 kg дода шудааст. Манба робитаи байни ин ду маҷмӯаи параметрро равшан шарҳ намедиҳад.
Ёддошти номгузории инерсия: Шарҳҳои сегментӣ барои I1 ва I2 дар Ҷадвали 4 бо муодилаҳои динамикӣ ва таърифҳои сегментии I1/I2 дар ҷадвалҳои баъдии номуайянӣ мувофиқ нестанд. Қиматҳои рақамӣ бетағйир монда, ҳамчун фарқи номгузории дохили манба нигоҳ дошта шудаанд.
Ёддошти иҷрои пайгирӣ: Дар бахши натиҷаҳо гуфта мешавад, ки tracking performance-и robust control дар ҳудуди 2,5%-и adaptive control мебошад. Азбаски қиматҳои RMS error дар ҷадвали рақамии дақиқ дода нашудаанд, ин нисбат ҳамчун натиҷаи гузоришшудаи муаллифон оварда шудааст ва аз Расми 17 қимати дақиқи RMS ҳосил карда нашудааст.
Ниёзи тасдиқи оянда: Муаллифон benchtop testing, hardware-in-the-loop validation ва human-subject evaluation-ро ҳамчун марҳилаҳои оянда пешниҳод мекунанд. Actuator saturation, battery endurance, device mass, cost, maintainability, reliability, sensor-noise robustness, latency, socket interaction, user comfort ва суръатҳои гуногуни gait ҳанӯз физикӣ тасдиқ нашудаанд.
Ёфтаҳои илмӣ, қиматҳои рақамӣ ва шарҳҳои методӣ дар ин муҳтавои Verianla ба кори баррасишуда асос меёбанд. Манбаи беруна танҳо барои тасдиқи шахсияти библиографии нашр истифода шудааст; аз берун ёфтаи нави клиникӣ, таҷрибавӣ ё иҷрои идоракунӣ ба муҳтавои асосӣ илова нашудааст.
Шарҳ гузоред
Нишонии почтаи электронии шумо нашр намешавад. Майдонҳои ҳатмӣ бо * нишон дода шудаанд