The JSI-KneExo: Active, Quasi-Passive, Pneumatic, Portable Knee Exo with Bidirectional Energy Flow for Air Recovery in Sit-Stand Tasks

要約

既存の文献には外骨格を利用した座位・立位タスクが含まれていますが、エネルギー回復メカニズムの統合は未調査のままです。
これらの限界をさらに押し上げるために、この研究では、準受動モードと能動モードの両方で動作するポータブル空気圧式膝外骨格を導入しています。能動モードは立ち上がり（発電）を補助するために利用され、エネルギーが外骨格からユーザーに流れます。
、および着座を補助するための準パッシブ モード (電力吸収) では、デバイスが圧縮空気の形でエネルギーを吸収して蓄えることができ、アクティブ モードでのエネルギーの節約につながります。
吸収されたエネルギーは保存され、その後、外骨格の透明性を損なうことなく再利用できます。
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、圧縮空気を蓄えます。圧縮空気は空気圧シリンダに放出されてトルクを生成します。
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 3.9 kg、膝関節での最大トルクは 20 Nm 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、健常者が座ったり立ったりする作業を行うパイロット研究も含まれています。
結果は、外骨格が被験者を補助し、筋活動を軽減しながらエネルギーを回復できることを示しています。
さらに、結果は、空気再生がポータブル空気圧外骨格のエネルギー節約に与える影響を強調しています。

要約(オリジナル)

While existing literature encompasses exoskeleton-assisted sit-stand tasks, the integration of energy recovery mechanisms remains unexplored. To push these boundaries further, this study introduces a portable pneumatic knee exoskeleton that operates in both quasi-passive and active modes, where active mode is utilized for aiding in standing up (power generation), thus the energy flows from the exoskeleton to the user, and quasi-passive mode for aiding in sitting down (power absorption), where the device absorbs and can store energy in the form of compressed air, leading to energy savings in active mode. The absorbed energy can be stored and later reused without compromising exoskeleton transparency in the meantime. In active mode, a small air pump inflates the pneumatic artificial muscle (PAM), which stores the compressed air, that can then be released into a pneumatic cylinder to generate torque. All electronic and pneumatic components are integrated into the system, and the exoskeleton weighs 3.9 kg with a maximum torque of 20 Nm at the knee joint. The paper describes the mechatronic design, mathematical model and includes a pilot study with an able-bodied subject performing sit-to-stand tasks. The results show that the exoskeleton can recover energy while assisting the subject and reducing muscle activity. Furthermore, results underscore air regeneration’s impact on energy-saving in portable pneumatic exoskeletons.

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