ΜΕΛΕΤΗ, ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΝΤΟΧΗΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΞΩΣΚΕΛΕΤΙΚΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ ΓΙΑ ΤΑ ΑΤΟΜΑ ΜΕ ΠΤΩΣΗ ΑΚΡΟΥ ΠΟΔΑ

Abstract

Σκοπός της πτυχιακής είναι η δημιουργία μιας ενεργητικής, ελκυστικής και μικρών διαστάσεων όρθωσης, που θα προσφέρει άνετη εφαρμογή και αποκατάσταση στους χρήστες, με δυνατότητες καθημερινής χρήσης στο μέλλον. Το εξωτερικό υποστήριγμα που βοηθά στην τροποποίηση των δομικών ή λειτουργικών χαρακτηριστικών του νευρομυοσκελετικού συστήματος του ανθρώπου, ονομάζεται όρθωση. Μία όρθωση μπορεί να υποστηρίξει διάφορα μέρη του ανθρώπινου σώματος. Οι ορθώσεις κατηγοριοποιούνται κυρίως, σε ενεργητικές και παθητικές, ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους. Στην παρούσα πτυχιακή σχεδιάστηκε, αναλύθηκε και κατασκευάστηκε μία κνημοποδική όρθωση για τους ασθενείς που πάσχουν από πτώση άκρου πόδα. Οι ασθενείς ή έχουν υποστεί κάποια νευρική βλάβη ή μυϊκή βλάβη, με αποτέλεσμα να έχουν ανωμαλία στον κύκλο βάδισης τους. Ταυτόχρονα όμως, παρατηρούνται αλλαγές στα κινηματικά και κινητικά μεγέθη. Η ανάλυση των μεγεθών αυτών γίνεται με τη βοήθεια των τεχνολογικών μέσων και των διαφόρων συστημάτων που έχουν αναπτυχτεί για το σκοπό αυτό. Ο κηδεμόνας αυτός αποτελείται από δύο μέρη. Αυτό που υποστηρίζει την κνήμη και αυτό που περιβάλει το πέλμα. Επιπρόσθετα, ο κύριος μηχανισμός της κνημοποδικής όρθωσης αποτελείται από κωνικά με ευθεία οδόντωση γρανάζια. Στόχος των κωνικών γραναζιών είναι η αύξηση της τελικής ροπής που θα δοθεί στον κηδεμόνα. Για την αποφυγή διαφόρων δυνάμεων τριβής, κρίθηκε απαραίτητη η χρήση ενός ρουλεμάν. Να σημειωθεί πως η κίνηση στην όρθωση αυτή δίνεται από έναν σερβοκινητήρα. Με σκοπό την αύξηση της αντοχής του κηδεμόνα, μεγάλο μέρος του έχει κατασκευαστεί από σύνθετα υλικά. Πιο συγκεκριμένα, ο κηδεμόνας πρόκειται να κατασκευαστεί από ανθρακόνημα, τα γρανάζια από χάλυβα, ενώ κάποια επιμέρους τμήματα δύναται να παραχθούν σε τρισδιάστατο εκτυπωτή. Για τη διεκπεραίωση της πτυχιακής ο σχεδιασμός έγινε σε σχεδιαστικό πρόγραμμα Solidworks, ο προγραμματισμός σε Arduino, ενώ για την ανάλυση της αντοχής του κηδεμόνα χρησιμοποιήθηκε το υπολογιστικό πρόγραμμα Ansys Workbench Mechanical. Έτσι, για τις απαιτήσεις της στατικής ανάλυσης λήφθηκαν υπ’ όψη δύο βασικές φάσεις βάδισης, αυτή της αρχικής επαφής και αυτή της προώθησης. Έπειτα, για την ανάλυση αντοχής των γραναζιών λήφθηκε μόνο η ροπή που δέχεται το πινιόν από τον κινητήρα ως φορτίο. Μετά από μελέτη των διαφόρων κινητήρων, αποφασίστηκε πως οι κατάλληλοι κινητήρες για την εφαρμογή αυτή είναι οι σερβοκινητήρες. Έτσι, η όρθωση ExoGaitOR λειτουργεί με τη βοήθεια δύο σερβοκινητήρων, οι οποίοι εκτελούν κίνηση και συντονίζονται, μέσω ενός μικροελεγκτή. Ο μικροελεγκτής για το συντονισμό του σωστού βηματισμού, λαμβάνει δεδομένα από έναν αισθητήρα κάμψης (flex sensor) και εφόσον τα επεξεργαστεί, μέσω του κώδικα, δίνει εντολή στους κινητήρες να περιστραφούν. Κύρια πηγή ενέργειας της συσκευής αυτής είναι μία διάταξη μπαταριών. Η κατασκευή του κνημοποδικού κηδεμόνα πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Μηχανικά καθοδηγούμενων μηχανών του Πανεπιστημίου Πελοποννήσου. Αρχικά κατασκευάστηκε ένα καλούπι από γυψόγαζα, έπειτα με βάση αυτό και με τις κατάλληλες ενέργειες διαμορφώθηκε το ανθρακόνημα. Αμέσως μετά την αναμονή ώστε να στεγνώσει το ανθρακόνημα διανοίχθηκαν οι οπές και τοποθετήθηκαν τα γρανάζια και τα υπόλοιπα εκτυπωμένα εξαρτήματα