Design and Evaluation of the JSI-KneExo: Active, Passive, Pneumatic, Portable Knee Exoskeleton

要約

この論文では、パッシブ モードとアクティブ モードの両方で動作するポータブルなスタンドアロンの空気圧式膝外骨格を紹介します。
このシステムは、パッシブモードで圧縮空気を利用してエネルギーを貯蔵および回収できるため、エネルギーの節約につながります。
アクティブ モードでは、小型エア ポンプが空気圧人工筋肉 (PAM) を膨張させます。PAM には圧縮空気が蓄えられ、圧縮空気が空気圧シリンダに放出されてトルクが生成されます。
すべての電子コンポーネントと空気圧コンポーネントがシステムに統合されており、外骨格の重量はわずか 3.9 kg で、膝関節の最大トルクは 20 Nm です。
さらに、このシステムはモジュール式であるため、片足または両足での着用が可能です。
この論文では、メカトロニクス設計と数学的モデルについて説明しており、健常者による座位から立位およびしゃがみホールドの練習を行う検証研究も含まれています。
結果は、外骨格が透明性を損なうことなく、被験者を支援しながらエネルギーを収集し、筋肉の活動を減らすことができることを示しています。
これらの結果は、今回の外骨格が、軽度から中等度の下肢運動障害を持つ個人にとって有用な低エネルギー消費装置となり、臨床現場と産業現場の両方で持久力を向上させる可能性があることを示唆しています。

要約(オリジナル)

This paper presents a portable stand-alone pneumatic knee exoskeleton that operates in both passive and active modes. The system can store and recover energy by means of compressed air in passive mode, leading to energy savings. In active mode, a small air pump inflates the pneumatic artificial muscle (PAM), which stores the compressed air, that can be then released into a pneumatic cylinder to generate torque. All electronic and pneumatic components are integrated into the system, and the exoskeleton weighs only 3.9 kg with a maximum torque of 20 Nm in the knee joint. Further, the system is modular, allowing wearability on one or both legs. The paper describes the mechatronic design, mathematical model and includes a validation study with an able-bodied subject performing sit-to-stand and squat-hold exercises. The results show that the exoskeleton can harvest energy while assisting the subject and reduce muscle activity, without compromising transparency. These results suggest that the presented exoskeleton could be a useful low-energy consumption device for individuals with low to moderate lower limb mobility impairments and improve endurance in both clinical and industrial settings.

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