Functional kinematic and kinetic requirements of the upper limb during activities of daily living: a recommendation on necessary joint capabilities for prosthetic arms

要約

切断者が常に義肢を拒否するため、義肢の放棄は未解決の課題のままです。
現在の補綴物の設計では、人間のような性能と許容可能なデバイスの重量のバランスが取れていないことが多く、現代の作業に合わせて最適化された設計の必要性が浮き彫りになっています。
この研究は、日常生活活動 (ADL) を実行するために不可欠な関節の運動学と運動学の包括的なデータセットを提供し、それによってより機能的でユーザーフレンドリーな補綴装置の設計に情報を提供することを目的としています。
肩甲上腕関節（回転）、肘関節、橈骨尺骨関節、および手首関節の機能的に必要な可動域（ROM）、速度、およびトルクは、24 の ADL を実行する 12 人の被験者からのモーション キャプチャ データを使用して計算されました。
私たちのアプローチには、上肢の質量と慣性特性の変化に対する関節トルクの計算が含まれており、一方、実験対象物の操作によって誘発されるトルクは、対象者の手との相互作用レンチによって考慮されました。
個々の ADL に関連する関節トルクは、四肢および物体の質量および質量分布に線形にスケールされ、線形回帰変数 (LRM) を使用して四肢および物体のダイナミクスを明示的にシミュレートしない一般化が可能となり、決定係数 R = 0.99 pm 0.01 を示しました。
データ駆動型プロテーゼ設計の応用例として、2 つの直列関節構成と 2 つの差動関節構成の手首軸の向きを最適化します。
最適化された軸は、尺骨偏位と手首の屈曲/伸展関節の間の高いトルク相関を利用することにより、解剖学的構成と比較してピーク電力要件を 22 ～ 38% 削減しました。
この研究は、上肢義肢の機能要件に関する重要な洞察を提供し、ユーザーの主要な懸念事項に対処し、デバイスの導入を促進するデータ駆動型義肢設計の貴重な基盤を提供します。

要約(オリジナル)

Prosthetic limb abandonment remains an unsolved challenge as amputees consistently reject their devices. Current prosthetic designs often fail to balance human-like perfomance with acceptable device weight, highlighting the need for optimised designs tailored to modern tasks. This study aims to provide a comprehensive dataset of joint kinematics and kinetics essential for performing activities of daily living (ADL), thereby informing the design of more functional and user-friendly prosthetic devices. Functionally required Ranges of Motion (ROM), velocities, and torques for the Glenohumeral (rotation), elbow, Radioulnar, and wrist joints were computed using motion capture data from 12 subjects performing 24 ADLs. Our approach included the computation of joint torques for varying mass and inertia properties of the upper limb, while torques induced by the manipulation of experimental objects were considered by their interaction wrench with the subjects hand. Joint torques pertaining to individual ADL scaled linearly with limb and object mass and mass distribution, permitting their generalisation to not explicitly simulated limb and object dynamics with linear regressors (LRM), exhibiting coefficients of determination R = 0.99 pm 0.01. Exemplifying an application of data-driven prosthesis design, we optimise wrist axes orientations for two serial and two differential joint configurations. Optimised axes reduced peak power requirements, between 22 to 38 percent compared to anatomical configurations, by exploiting high torque correlations between Ulnar deviation and wrist flexion/extension joints. This study offers critical insights into the functional requirements of upper limb prostheses, providing a valuable foundation for data-driven prosthetic design that addresses key user concerns and enhances device adoption.

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