عنوان پایان‌نامه
شبیه سازی و بهینه سازی میراگر MR در یک مفصل مصنوعی جهت کاربرد های توانبخشی
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3052;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 70354
- تاریخ دفاع
- ۱۱ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- سیدمحمدامین عارفی
- استاد راهنما
- کیوان صادقی, مسعود شریعت پناهی
- چکیده
- در سال‌های اخیر وسایل کنترلی نیمه‌فعال به علت داشتن قابلیت کنترل تطبیق‌پذیر، توان مصرفی کم و همچنین وزن و قیمت پایین‌تر نسبت به سیستم‌های فعال، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. میراگرهای مگنتورئولوژیکال (یا به اختصار MR) وسایل کنترلی نیمه‌فعالی هستند که با استفاده از سیال MR درونشان و با تغییر میدان مغناطیسی اعمال شده به آن‌ها می‌توان میرایی‌شان را کنترل نمود. یکی از جذاب‌ترین کاربردهای تکنولوژی میراگرهای MR در حوزه بایومکانیک و به خصوص در ساخت پروتزها و اورتزهای پیشرفته می‌باشد که باعث کمک به حرکت بهتر یا افزایش سرعت بهبود در بیماران متأثر از بیماری‌های نورولوژیک می‌شود. به علت پیچیده و غیرخطی بودن رفتار میراگر MR، بررسی اثرات نیرویی میراگر MR و نیز تولید گرمای داخل آن نیازمند شبیه‌سازی کامل فیزیکی است. در پژوهش حاضر به شبیه‌سازی و بهینه‌سازی یک میراگر MR که در یک اورتز طراحی شده در سال 2013 برای کاهش رعشه دست بیماران به کار رفته‌است، پرداخته شده‌است. در شبیه‌سازی انجام گرفته معادلات الکترومغناطیس و معادلات بقای مومنتوم و انرژی حاکم بر میراگر MR به کمک نرم‌افزار کامسول حل گردیده و سپس نیروی مقاوم میراگر در اثر تحریک جابه‌جایی سینوسی که به علت ارتعاشات حاصل از رعشه دست در بیماران ایجاد می‌شود، محاسبه شده‌است. در ادامه میزان گرم‌شدن میراگر MR و نیز میزان انتقال حرارت آن به محیط اطراف و همچنین تاثیر تغییر پارامترهای مختلف بر عملکرد میراگر MR مورد بررسی قرار گرفته و در نهایت میزان توان مصرفی میراگر مشروط بر ایجاد نیروی مقاوم مشخصی توسط میراگر MR با استفاده از الگوریتم ژنتیک بهینه شده‌است. با توجه به مدل‌سازی انجام گرفته مشخص گردید که بیشینه نیروی مقاوم میراگر MR با افزایش جریان سیم‌پیچ تا حد مشخصی افزایش می‌یابد و از آن به بعد تقریبا ثابت خواهد بود. همچنین مقدار بیشینه دمای بدنه و نیز انتقال حرارت آن به محیط اطراف مشکلی را برای بیماران ایجاد نخواهد کرد. نتایج بهینه‌سازی نیز نشان می‌دهد که برای ایجاد نیروی مقاوم زیاد باید از حداکثر تعداد حلقه‌های سیم‌پیچ با توجه به قیود هندسی استفاده کرد. علاوه بر این، رابطه میزان توان مصرفی بهینه میراگر با نیروی مقاوم ایجاد شده توسط آن به صورت نمایی تغییر می‌کند. واژه‌های کلیدی: میراگر مگنتورئولوژیکال (MR)، اورتز مچ دست، معادلات الکترومغناطیس، حل عددی معادلات بقای مومنتوم و انرژی، بهینه سازی با استفاده از الگوریتم ژنتیک
- Abstract
- Over the past few years semi-active devices have attracted a lot of attention because of their capabilities for adaptive control, low power consumption and low weight. Magnetorheological (MR) Dampers are semi-active devices that their damping coefficient could be adjusted by means of an applied magnetic field which affects the viscosity of MR fluid inside the damper. One of the most interesting application where MR dampers are used, is biomechanical devices especially high-tech prostheses or orthoses which help the patients to recover faster or to modify their locomotion. Due to the complex and nonlinear behavior of an MR damper, investigating its resistance force and heat generation needs a comprehensive simulation. In this study numerical simulation and optimization of an MR damper, which is designed for a medical orthosis to attenuate pathological tremor in the human wrist, have been done. In the simulation fully coupled system of continuity, conservation of momentum and energy and electromagnetics equations were solved using COMSOL Multiphysics®. Coupling of these equations was attained through a modified Bingham plastic model relating yield stress of the MR fluid to the local intensity of magnetic field. Afterwards, resistance force of the MR damper due to sinusoidal translation of piston head caused by pathological tremor, heat generation inside the damper and heat transfer from damper’s cylinder to the environment were calculated. Then parameter studies were done with four effective parameters. Finally power consumption of the MR damper subjected to generation of a given resistance force was minimized using Genetic Algorithm and COMSOL with MATLAB. Results show that initially, maximum resistance force of the MR damper increases with an increase in coil current but after the saturation current the resistance force becomes nearly constant. Moreover, maximum temperature and heat transfer of the cylinder is not injurious to the tissues of the patient’s hand. Results of optimization show that in order to achieve high resistance force maximum number of coil’s turns regarding to geometrical constraints should be used and also optimum power consumption varies exponentially with maximum resistance force. Keywords: Magnetorheological (MR) Damper, Wrist medical Orthosis, Electromagnetics Equations, Numerical Solution of Conservation of Momentum and Energy Equations, Optimization Using Genetic Algorithm
