Computational Synthesis of Wearable Robot Mechanisms: Application to Hip-Joint Mechanisms

要約

ウェアラブル リンク機構はアクチュエータから着用者へのモーメント伝達を制御できるため、低コストのウェアラブル システムでもユーザーのニーズに合わせた高度な機能を確実に提供できるようになります。
たとえば、股関節機構が入力トルクを空間的に変化するモーメントに変換する場合、手頃な価格の単一アクチュエータ システムであっても、着用者は歩行中に矢状面と前額面の両方で効果的な支援を得ることができます。
ただし、リンク機構設計空間の組み合わせ的な性質により、このような非線形モーメント生成機構のトポロジーは、たとえ大量の計算リソースと数値データがあっても決定することが困難です。
さらに、従来の合成アプローチでは、オンプレミスの製品開発とインタラクティブな設計はほぼ不可能です。
ここでは、徹底的な検索や多数のデータセットの必要性を排除し、そのようなウェアラブルロボットメカニズムを合成するための革新的な自律計算アプローチを提案します。
私たちの方法は、合成問題を高度な目的関数と制約関数を備えた勾配ベースの最適化問題に変換し、同時に必要な自由度、可動範囲、力伝達特性を確保します。
任意の機構トポロジーと寸法を生成するために、統一された地上モデルを採用しました。
提案手法を股関節機構の設計に適用することにより、非直列型股関節機構のトポロジーと寸法が得られた。
生体力学的シミュレーションによりマルチモーメント支援機能が検証され、プロトタイプの製作により装着性が検証されました。
提案された設計戦略は、肩、膝、足首などのさまざまなウェアラブル ロボット機構を設計する新しい方法を開く可能性があります。

要約(オリジナル)

Since wearable linkage mechanisms could control the moment transmission from actuator(s) to wearers, they can help ensure that even low-cost wearable systems provide advanced functionality tailored to users’ needs. For example, if a hip mechanism transforms an input torque into a spatially-varying moment, a wearer can get effective assistance both in the sagittal and frontal planes during walking, even with an affordable single-actuator system. However, due to the combinatorial nature of the linkage mechanism design space, the topologies of such nonlinear-moment-generating mechanisms are challenging to determine, even with significant computational resources and numerical data. Furthermore, on-premise production development and interactive design are nearly impossible in conventional synthesis approaches. Here, we propose an innovative autonomous computational approach for synthesizing such wearable robot mechanisms, eliminating the need for exhaustive searches or numerous data sets. Our method transforms the synthesis problem into a gradient-based optimization problem with sophisticated objective and constraint functions while ensuring the desired degree of freedom, range of motion, and force transmission characteristics. To generate arbitrary mechanism topologies and dimensions, we employed a unified ground model. By applying the proposed method for the design of hip joint mechanisms, the topologies and dimensions of non-series-type hip joint mechanisms were obtained. Biomechanical simulations validated its multi-moment assistance capability, and its wearability was verified via prototype fabrication. The proposed design strategy can open a new way to design various wearable robot mechanisms, such as shoulders, knees, and ankles.

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