چکیده: چکیده طراحی و توسعه پروتزهای پیشرفته و فعال برای اندام‌های تحتانی، تحولی چشمگیر در حوزه مهندسی پزشکی به شمار می‌آید که هدف آن افزایش تحرک‌پذیری، بهبود کیفیت زندگی و بازگشت به فعالیت‌های روزمره برای افراد دارای نقص عضو است. علی‌رغم پیشرفت‌های چشمگیر در این حوزه، این پروتزها همچنان با چالش‌های متعددی مانند دینامیک‌های پیچیده و شدیداً غیرخطی، وجود عدم قطعیت‌ها در مدل‌سازی، و همچنین رفتارهای نامطلوب در محرک‌ها شامل پدیده‌هایی نظیر هیسترزیس و ناحیه مرده روبرو هستند که این عوامل می‌توانند تأثیرات منفی قابل‌توجهی بر کیفیت راه رفتن و راحتی کاربران داشته باشند. در همین راستا، این رساله به توسعه روش‌های کنترل پیشرفته برای پروتزهای فعال زیر زانو با هدف جداسازی موثر ارتعاشات و شتاب‌های ناشی از برخورد پا با زمین از بافت نرم عضو باقیمانده می‌پردازد. در این رساله، یک چارچوب نوین و جامع کنترلی تحت عنوان کنترل کننده مود لغزشی ترمینال مرتبه کسری دینامیکی با رویکرد مبتنی بر رویتگر اغتشاش برای پروتزهای فعال جاذب شوک در اندام‌های تحتانی ارائه شده است. این کنترل‌کننده به گونه‌ای طراحی شده است که قادر به ایزوله کردن مؤثر لرزش‌ها و شتاب‌های ناخواسته باشد که به هنگام حرکت از بخش‌های مختلف پروتز، به‌خصوص پایلون و کف پا، به بافت نرم باقی‌مانده در اندام منتقل می‌شوند. ویژگی منحصربه‌فرد استفاده از حسابان کسری در این کنترل‌کننده، نرخ همگرایی بسیار سریع‌تر به حالت تعادلی مطلوب را تضمین کرده و همچنین موجب کاهش قابل توجه پدیده چترینگ، که از مشکلات رایج در کنترل مد لغزشی است، می‌گردد. سطوح لغزش کسری طراحی شده، با بهره‌گیری از خصوصیات حافظه مشتقات کسری، عملکرد کنترل‌کننده را در مواجهه با عدم قطعیت‌های مدل و اغتشاشات خارجی بهبود می‌بخشند. از جمله مهم‌ترین بخش‌های این تحقیق، توسعه و پیاده‌سازی یک رویتگر اغتشاش است که با دقت بالا به تخمین و جبران‌سازی مؤثر عدم قطعیت‌ها و رفتارهای غیرخطی ناشی از محرک‌ها و شرایط عملیاتی واقعی سیستم می‌پردازد. یکی از نوآوری‌های مهم این تحقیق، طراحی رویت‌گر اغتشاش مرتبه بالا است که قادر به تخمین مشتق اغتشاشات انباشته بوده و با کاهش بهره کنترل‌کننده، امکان کاهش مصرف انرژی و افزایش عمر محرک‌ها را فراهم می‌آورد. این ویژگی برای پروتزهای فعال که نیاز به کارکرد طولانی‌مدت دارند، بسیار حائز اهمیت است. در این پژوهش تحلیل دقیق و جامعی از پایداری سیستم با استفاده از تئوری لیاپانوف ارائه گردیده که تضمین‌کننده استحکام و عملکرد مطمئن کنترل‌کننده پیشنهادی در شرایط عملیاتی گوناگون است. مطالعات شبیه‌سازی گسترده‌ای به‌منظور ارزیابی عملکرد کنترل‌کننده پیشنهادی تحت شرایط ایده‌آل و غیرایده‌آل انجام شده است. مدل ریاضی مورد استفاده، یک سیستم شش جرمی شامل کف پا و پایلون، سوکت، بافت‌های نرم و سخت عضو باقیمانده و بالاتنه است که دینامیک کامل سیستم پروتز-انسان را مدل‌سازی می‌کند. نیروی عکس‌العمل زمین به صورت غیرخطی و با در نظر گرفتن خصوصیات ویسکوالاستیک مواد مدل شده است. نتایج این شبیه‌سازی‌ها به وضوح برتری چشمگیر کنترل‌کننده پیشنهادی را در مقایسه با روش‌های متداول کنترل مد لغزشی کلاسیک و کنترل مد لغزشی دینامیکی مبتنی بر رویتگر نشان می‌دهد. این برتری در خصوص ایزوله کردن مؤثرتر لرزش‌ها، کاهش محسوس شتاب‌های ناخواسته و بهبود کلی در کیفیت و راحتی راه رفتن کاربران پروتز مشهود است. همچنین، تحلیل فرکانسی سیستم نشان می‌دهد که کنترل‌کننده پیشنهادی در محدوده فرکانسی 8-18 هرتز که بر اساس استاندارد ISO 2631 حساسیت بالایی برای انسان دارد، عملکرد مطلوبی ارائه می‌دهد. استفاده از فیلتر وزن‌دهی فرکانسی مناسب، امکان ارزیابی دقیق عملکرد کنترل‌کننده در شرایط واقعی را فراهم می‌آورد. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می‌دهد که کنترل‌کننده پیشنهادی قابلیت بسیار خوبی در ارتقاء فناوری پروتزهای فعال و افزایش راحتی و کارایی راه رفتن برای افراد دارای قطع عضو دارد. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که ترکیب حساب کسری با کنترل مد لغزشی دینامیکی، رویکردی نوین و کارآمد برای کنترل سیستم‌های پیچیده با عدم قطعیت‌های متعدد ارائه می‌دهد. روش پیشنهادی نه تنها از نظر تئوری دارای پایه محکمی است، بلکه قابلیت پیاده‌سازی عملی بر روی سیستم‌های تعبیه شده را نیز دارا می‌باشد.