چکیده: چکیده در سال‌های اخیر مکانیزم‌ اسکلت خارجی، به دلیل کارایی بالا و افزایش روزافزون تقاضا، موردتوجه متخصصان ارتوپدی و مهندسی پزشکی قرار گرفته است؛ اما چالش بزرگ استفاده از آن‌، عدم سازگاری و آسیب‌هایی است که به‌مرورزمان به مصرف‌کننده وارد می‌کند. این آسیب‌ها ناشی از عدم درک درست و شناخت دقیق ساختار اسکلتی – عضلانی و مفاصل انسان در فرایند طراحی این مکانیزم است. در مطالعة حاضر ابتدا به مدل‌سازی زانو و سپس طراحی بریس بر اساس این مدل‌سازی با هدف توسعة طراحی مکانیزمی سازگار با مفصل زانو پرداخته می‌شود. حرکت زانو با اشعۀ ایکس‌ قابل‌اندازه‌گیری است؛ اما اندازه‌گیری نیروها در مفاصل به‌صورت آزمایشگاهی امکان‌پذیر نیست؛ بنابراین مدل‌سازی بیومکانیک مفاصل انسان و توسعة آن، ازاین‌جهت حائز اهمیت است. در این مطالعه به توسعة مدل بیومکانیکی زانوی انسان پرداخته شده است. روشی کلی برای تحلیل دینامیکی سیستم‌های با تماس معرفی شده است. توسعة مدل دینامیکی زانو شامل سه مرحله است: 1. بیان هندسی مشخصات منحنی‌های تماسی به وسیلة برازش منحنی بر اساس تابع درون‌یابی؛ 2. ارائة الگوریتم تعیین نقطة تماس و محاسبة مشخصات تماس؛ 3. محاسبة نیروی تماس به وسیلة قوانین تماس (نیروی نرمال تماس، اصطکاک). بر این اساس، حرکت نسبی فمور - تیبیا، به وسیلة عکس‌العمل‌ تماس تیبیا - فمور در زانو مدل شده است. نیروهای تماس به‌عنوان نیروهای خارجی در معادلات حرکت در نظر گرفته شده است. بر مبنای مدل‌سازی به روش چند عضوی، مدلی تحلیلی و نوین ارائه می‌شود که نیرو‌ها و گشتاور‌های زانو را، در دو صفحة ساژیتال و فرونتال به هم مرتبط می‌کند. برای دستیابی به پاسخ دقیق، شرایط بارگذاری مدل، به وسیلة تحلیل‌های مستخرج از نرم‌افزار اپن سیم، تعریف شده است. ازاین‌رو مدل‌ نوینی برای تشخیص تماس منحنی‌های فمور و تیبیا ارائه شده است؛ نیروی تماسی و چارچوبی نوآورانه نیز برای استخراج عمق نفوذ غضروف‌های تیبیا - فمور در طول گام‌برداری در نظر گرفته شد و همچنین مدل‌سازی زانو در دو بعد، ارتقا داده شد. سپس برای صحت‌سنجی، نتایج سینماتیکی و دینامیکی مدل نوین زانو، با مطالعات آزمایشگاهی و تحلیلی، مقایسه شد. با توجه به اهمیت موضوع گام‌برداری و رفتار غیرخطی گام برداری انسان، کاربرد دینامیک غیرخطی، صفحه فاز و مقطع پوآنکاره با الهام از شبیه‌سازی رفتار آشوب مکانیزم‌های با مفصل لق بررسی شده است. در گام بعدی بر اساس مدل‌سازی، به طراحی و کنترل یک مکانیزم اسکلت خارجی تطبیقی پرداخته شد؛ هدف این بود که نیروی تماسی کمپارتمان داخلی زانو، در فرایند راه رفتن کاهش یابد. این موضوع، با تمرکز بر سه اصل مهم پیگیری شده است: 1. تأثیر نیروهای عکس‌العمل بین مکانیزم و پا؛ 2. محاسبة اثر آسیب زانو با مدل توسعه‌یافته؛ 3. ایجاد ارتباط منطقی و محاسباتی بین مدل زانو و مکانیزم. در طراحی مکانیزم اسکلت خارجی، بریسی نوین ارائه شده است که ضمن اعمال نیروی محوری، با تعریف دو درجه آزادی دورانی در صفحة فرونتال، موجب توزیع صحیح و کنترل‌شدة نیروی عکس‌العمل زانو و کاهش زوایای انحراف واروس - والگوس می‌شود. ازاین‌رو، مفصلی دوبل، برای کنترل زاویۀ ادداکشن - ابداکشن در بریس تعبیه شد تا بریس در بستری محاسباتی که حاصل مدل نوین زانو است، با اعمال گشتاور در این جهت، به روش فیدبک خطی‌ساز و مقاوم، حرکت زانو را کنترل کند. از این طریق با میزانی باربرداری منطقی از کمپارتمان داخلی، از بارگذاری بیش‌ازحد کمپارتمان‌ جانبی جلوگیری شده است. نتایج برای مورد مطالعاتی بررسی و میزان حداکثر عمق نفوذ غضروف تیبیا - فمور در طول گام‌برداری، 705/0 میلی‌متر گزارش شد. به‌علاوه میزان ماکزیمم عمق نفوذ کمپارتمان داخلی برای زانوی با %75 آرتروز 521/0 میلی‌متر به دست آمد؛ این شامل 5/0 میلی‌متر تماس غضروف - غضروف و 0/021 میلی‌متر تماس استخوان - استخوان، است. بر اساس روش کنترل دینامیک معکوس، حداکثر مقدار نیروی باربردار در طول گام‌برداری، با ماکزیمم مقدار 852 نیوتن (14/1 برابر وزن) استخراج شد؛ این موضوع ماکزیمم عمق نفوذ را به مقدار 45/0 میلی‌متر کاهش داد. برای دستیابی به این شرایط، در گام بعد، میزان حداکثر 7/1 درجۀ دوران زانو، از ادداکشن به ابداکشن پیشنهاد شد؛ درنتیجه با رسیدن ماکزیمم نیروی تماسی به مقدار 751 نیوتن (1 برابر وزن) در کمپارتمان داخلی، میزان افزایش بار در کمپارتمان خارجی 852 نیوتن گزارش شد. ازآنجایی‌که اصلاح زاویۀ ادداکشن – ابداکشن با اعمال گشتاور ادداکشن – ابداکشن انجام شده است، میزان حداکثر گشتاور در این جهت 34 نیوتن‌متر است؛ در روش کنترل مقاوم با فرض نامعینی نیروی عکس‌العمل بین پا و بریس، این میزان با تابع اشباع 6/27 نیوتن‌متر گزارش شده است. این روند حل با مدل نوین زانو و طراحی بریس جدید ضمن هزینة محاسباتی بسیار پایین باعث پرهیز از افزایش بار در کمپارتمان خارجی می‌شود. این در حالی است که باربرداری از کمپارتمان داخلی، به‌خوبی انجام می‌شود.