A Sagittal Planar Ankle-Foot Prosthesis with Powered Plantarflexion and Socket Alignment

要約

動力付き足首義足は、多くの場合、蹴り出しを補助することで歩行時のエネルギーコストを削減できます。
しかし、機械的作業の提供に重点を置くと、慢性的な痛み、イライラ、褥瘡の発症、そして切断患者の最終的な変形性関節症などの一般的な問題が無視されたり、悪化したりする可能性があります。
この論文では、ユーザーの努力とプロテーゼソケットからの相互作用負荷の組み合わせを最小限に抑える、歩行の予測生体力学的シミュレーションによって情報を得た、新しい下脛骨プロテーゼの設計と検証について説明します。
これらの発見から、このデバイスは、義足と断端の位置合わせを変更するために主に位置制御される 10 cm の可動範囲を備えた非生体模倣的な前後移動の自由度を備えて設計されました。
このシステムはモバイルとテザリングの両方が可能で、バッテリー、アクチュエーター、電子機器の大部分が小さなバックパックに収納されています。
機械的負荷はケーブルを介してプロテーゼに伝達され、必要な遠位質量の移動が最小限に抑えられます。
トルクと力の感知精度、開ループアクチュエータの性能、閉ループトルクと位置制御帯域幅、歩行中のトルクと位置追跡誤差を測定しました。
このシステムは、両方の自由度で約 7 Hz の閉ループ制御帯域幅で、最大 160 N-m の底屈トルクと 394 N の AP 並進力を生成できます。
歩行中のトルク追跡は約 10 N-m 以内の精度でしたが、位置追跡はおそらく双方向機構のケーブルのたるみによる位相遅れの影響を大きく受けました。
このプロトタイプは、歩行中のシミュレートされた義足のダイナミクスを再現することができ、ウェアラブル ロボットの設計ツールとして予測生体力学シミュレーションを使用する利点と実際的な考慮事項について有益な洞察を提供します。

要約(オリジナル)

Powered ankle-foot prostheses can often reduce the energy cost of walking by assisting with push-off. However, focus on providing mechanical work may lead to ignoring or exacerbating common issues with chronic pain, irritation, pressure ulcer development, and eventual osteoarthritis in persons with amputation. This paper presents the design and validation of a novel transtibial prosthesis informed by predictive biomechanical simulations of gait which minimize a combination of user effort and interaction loading from the prosthesis socket. From these findings, the device was designed with a non-biomimetic anterior-posterior translation degree of freedom with a 10 cm range of motion which is primarily position-controlled to change the alignment of the prosthetic foot with the residual limb. The system is both mobile and tethered, with the batteries, actuators, and majority of electronics located in a small backpack. Mechanical loads are transmitted through cables to the prosthesis, minimizing the distal mass carriage required. We measured torque and force sensing accuracy, open loop actuator performance, closed loop torque and position control bandwidth, and torque and position tracking error during walking. The system is capable of producing up to 160 N-m of plantarflexion torque and 394 N of AP translation force with a closed loop control bandwidth of about 7 Hz in both degrees of freedom. Torque tracking during walking was accurate within about 10 N-m but position tracking was substantially affected by phase lag, possibly due to cable slack in the bidirectional mechanism. The prototype was capable of replicating our simulated prosthesis dynamics during gait and offers useful insights into the advantages and the practical considerations of using predictive biomechanical simulation as a design tool for wearable robots.

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