Design, Characterization, and Validation of a Variable Stiffness Prosthetic Elbow

要約

ユーザーが制御可能な剛性を備えたプロテーゼは、直感的に人間の筋骨格系の固有の動作を模倣し、現実世界のシナリオにおける安全で自然な相互作用とタスクへの適応性を促進する可能性があります。
ただし、複雑さ、重量、必要な制御チャネルが増えるため、補綴物の設計ではコンプライアンスが無視されることがよくあります。
この論文では、義肢用途と互換性のある重量、サイズ、性能を備えた可変剛性アクチュエータ (VSA) の設計に焦点を当て、肘関節への実装について取り上げます。
直接的な生体模倣アプローチでは、アゴニスト-アンタゴニスト (AA) レイアウトを採用して弾性作動で上腕二頭筋と上腕三頭筋を再現することが提案されていますが、このソリューションは断端のさまざまな形態に対応するには最適ではありません。
代わりに、AA レイアウトを採用して、ユーザーの前腕に完全に収まる肘プロテーゼを作成し、遠位経上腕切断患者に対応しました。
さらに、2 つのモーターを上腕と前腕に分割して生体肢に沿って質量と体積をより均等に分配するこの設計の変形例を導入し、近位切断レベルの患者の快適性を高めます。
私たちはアプローチを特徴づけて検証し、両方のアーキテクチャが肘プロテーゼの目標要件を満たしていることを実証します。
このシステムは、望ましい 120{\deg} の可動範囲を達成し、[2, 60] Nm/rad の目標剛性範囲を達成し、最大 3 kg までアクティブに持ち上げることができます。
当社の斬新なデザインは、最先端技術に匹敵する性能を達成しながら、肘プロテーゼ用の既存の VSA と比較して重量を最大 50% 削減します。
ケーススタディは、受動的かつ可変的なコンプライアンスによって、現実世界における堅牢かつ安全なインタラクションとタスクへの適応性が可能になる可能性があることを示唆しています。

要約(オリジナル)

Intuitively, prostheses with user-controllable stiffness could mimic the intrinsic behavior of the human musculoskeletal system, promoting safe and natural interactions and task adaptability in real-world scenarios. However, prosthetic design often disregards compliance because of the additional complexity, weight, and needed control channels. This paper focuses on designing a Variable Stiffness Actuator (VSA) with weight, size, and performance compatible with prosthetic applications, addressing its implementation for the elbow joint. While a direct biomimetic approach suggests adopting an Agonist-Antagonist (AA) layout to replicate the biceps and triceps brachii with elastic actuation, this solution is not optimal to accommodate the varied morphologies of residual limbs. Instead, we employed the AA layout to craft an elbow prosthesis fully contained in the user’s forearm, catering to individuals with distal transhumeral amputations. Additionally, we introduce a variant of this design where the two motors are split in the upper arm and forearm to distribute mass and volume more evenly along the bionic limb, enhancing comfort for patients with more proximal amputation levels. We characterize and validate our approach, demonstrating that both architectures meet the target requirements for an elbow prosthesis. The system attains the desired 120{\deg} range of motion, achieves the target stiffness range of [2, 60] Nm/rad, and can actively lift up to 3 kg. Our novel design reduces weight by up to 50% compared to existing VSAs for elbow prostheses while achieving performance comparable to the state of the art. Case studies suggest that passive and variable compliance could enable robust and safe interactions and task adaptability in the real world.

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