Modelling, Design Optimization and Prototype development of Knee Exoskeleton

要約

この研究は、Sit-to-Stand（STS）動作中の可動域（ROM）の制限に対処することで、既存の膝の外骨格の設計を強化することに焦点を当てています。
現在の膝の外骨格は靭性とリハビリテーションを重視していますが、その閉ループ機構は効果的なリハビリテーションに不可欠な最適な ROM を妨げます。
この研究は、必要なROMを達成するために外骨格の設計を最適化し、リハビリテーションにおける機能を向上させることを目的としています。
これは、運動学的モデリングと定式化を利用することで実現でき、既存の設計は非線形および非凸の数学関数で表現されていました。
外骨格の最適な寸法を決定するために、人間の脚の測定値に基づく制約を考慮した最適化技術が適用されました。
これにより、従来モデルと比較してROMが大幅に増加しました。
MATLAB プログラムは、最適化された外骨格の ROM を元の設計と比較するために開発されました。
最適化された設計の実用性を検証するために、人間の平均的な寸法のマネキンを使用して解析が行われ、続いて段ボールのダミー モデルを構築してシミュレーション結果を確認しました。
平均的な人間の STS 動作がカメラと TRACKER ソフトウェアを使用してキャプチャされ、その動作がダミー モデルの動作と比較され、人間と外骨格の膝関節間の不整合が特定されました。
さらに、位置ずれをさらに調査し、設計を改善するために、膝関節外骨格のプロトタイプが開発されています。
今後の研究には、より詳細な分析とより良い結果を得るためにEMGセンサーを使用することが含まれます。

要約(オリジナル)

This study focuses on enhancing the design of an existing knee exoskeleton by addressing limitations in the range of motion (ROM) during Sit-to-Stand (STS) motions. While current knee exoskeletons emphasize toughness and rehabilitation, their closed-loop mechanisms hinder optimal ROM, which is crucial for effective rehabilitation. This research aims to optimize the exoskeleton design to achieve the necessary ROM, improving its functionality in rehabilitation. This can be achieved by utilizing kinematic modeling and formulation, the existing design was represented in the non-linear and non-convex mathematical functions. Optimization techniques, considering constraints based on human leg measurements, were applied to determine the best dimensions for the exoskeleton. This resulted in a significant increase in ROM compared to existing models. A MATLAB program was developed to compare the ROM of the optimized exoskeleton with the original design. To validate the practicality of the optimized design, analysis was conducted using a mannequin with average human dimensions, followed by constructing a cardboard dummy model to confirm simulation results. The STS motion of an average human was captured using a camera and TRACKER software, and the motion was compared with that of the dummy model to identify any misalignments between the human and exoskeleton knee joints. Furthermore, a prototype of the knee joint exoskeleton is being developed to further investigate misalignments and improve the design. Future work includes the use of EMG sensors for more detailed analysis and better results.

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