助动服Bioinspired膝关节

文摘

人工膝关节的运动包括滚动和滑动。额也存在旋转和水平的飞机。协助常务运动一个人类,我们开发了一个bioinspired膝关节和扭矩调整机制。我们评估了运动、转矩特性和应力的发展机制。这个关节允许深弯曲膝盖的小电阻的用户和设备。此外,尽管33%的误差在深弯曲,测量转矩小于120度以上符合设计的扭矩曲线。我们为人类的主题进行评估测试。股直肌的肌电图(EMG)进行测量在站有或没有帮助。结果表明减少30%和63%的援助从100度和80度的膝盖角度,分别。此外,该设备减少多达80%的压力在额飞机站。

1。介绍

社会老龄化的迅速发展世界各地。根据经济和社会事务部的报告,美国(1),60岁以上的人数是8.41亿年2013年在世界范围内,数量在2050年有望达到20亿。老化影响的整体生理功能。特别是,关节痛(关节疼痛)是最严重的因素之一,防止活跃老年人的生活。在日本,从膝骨关节炎病人的数量大约是700万,和比例继续增加2]。膝关节是非常重要的对于许多日常生活的活动,例如,站立、行走、爬楼梯;每体重超过0.5 Nm扭矩膝关节在行走中生成(3]。站行动所需的扭矩超过这个值。膝关节骨关节炎的痛苦造成的损失范围的运动,动机的活动,他们的活动范围。

助动技术最初是作为军事支持技术开发人员(4]。然而,这项技术目前预计,促进老年人的积极生活。商用助动可穿戴设备已经存在,例如,MuscleSuits (INNOPHYS有限公司)。5和哈尔(赛博达因Inc .)6];这些设备是用来减少站的负荷或携带负担的人。这些设备使用几种类型的致动器来生成辅助转矩和力可以减少直接反应在用户的身体。然而,由于机制的限制,几乎所有的设备不支持运动要求的深弯曲膝盖。此外,一些设备,利用电磁马达往往很重。

近年来,气动人工肌肉已经重点用于助动系统因其高力/重量比(7]。气动执行机构合同注入空气。气动执行机构的核心元素是一个灵活的膜两端封闭;这个胶袋是用硬塑料纤维的袖子。胶袋与注入的空气膨胀,但对径向变形是有限的袖子。结果,向轴向收缩发生注入空气(8]。上述MuscleSuits也利用气动人工肌肉。

使用气动肌肉在助动系统取决于应用程序和主要分为两种类型。在一些设备,气动肌肉直接连接到人体表面,类似于衣服,例如,在正面和背面的目标共同协助其弯曲和扩展9]。气动执行机构的其他设备组合和机械关节,与单轴位于外的人类联合(10]。前者类型有优势,他们不需要精确对准人体关节的轴线。然而,膨胀的致动器给用户的感觉压力。另外,尽管后者类型的设备不给这样的感情的压力,他们必须准确地调整人类关节。此外,上述研究尚未解决的深层弯曲膝盖,虽然在日常生活中有很多这样的动作。

膝关节的复杂运动的结果限制的运动相关的韧带和肌腱。例如,膝盖包含回滚的扩展运动,这是一个相结合的旋转和滑动(11]。同时,转动轴移动,这取决于膝关节角。很难充分满足人类的自然运动膝关节只使用一个单轴机械接合。一些研究利用bioinspired膝盖机制可以发现领域的类人型机器人(12,13和假膝盖14]。田农et al。15]knee-motion-assist机制开发可穿戴机器人非圆形齿轮和沟槽凸轮。在这篇文章中,我们还集中在膝关节bioinspired机制但使用不同的机制。

此外,在膝关节屈曲,股骨通常有5 - 10度”对胫骨绑架,达到30度在扩展在某些情况下(16]。从30度弯曲到终端扩展,股骨旋转5 - 10度内旋转。这个运动是很重要的锁膝盖运动终端扩展的膝盖和防止过伸(11]。很少有研究膝关节的机械,被认为是额叶和水平运动的飞机。

解决上述问题的一个新的机械膝关节是必要的气动actuator-based助动适合提高实用性和舒适的衣服。在这项研究中,我们提出一个新的bioinspired膝关节力学机制和灵活的元素,可以减少压力的运动失调的联合。

2。目标设置

2.1。膝关节的轴心轨迹

膝关节轴的运动是旋转和滑动的组合(11]。因此,转动轴不是固定在一个点。根据协调系统的定义17)(图1),股骨的起源的矢状面旋转对胫骨的起源,如图2在站期间运动(16]。这个图中显示的垂直轴的位移superior-inferior转动轴的运动(正值表示上级职位)。横轴表示前后的运动(正值表示前位置)。数量显示在每个图表示膝盖角度,最大扩展和弯曲0到150度,分别。

2.2。目标是辅助转矩

图中的实线3显示日本男性的平均转矩概要文件在站(40岁,体重:65.3公斤,身高:171厘米)获得(18]。最大扭矩是57.8海里的时候站着。最大转矩持平在80 - 150度的膝角。这条线的定义是本文的引用。在这项研究中,我们设置一个一半的引用作为辅助转矩(图的目的5)。的简化结构,只有扩展的膝盖是辅助设备。结果,参考翻译中负转矩为零的目标。

2.3。气动执行机构的力特征

在这项研究中,我们使用了气动肌肉(神田Tsushin Kogyo有限公司,A300B20C20D,名义长度:800毫米,和马克斯。压力:0.6 MPa)作为电源。此外,最大的空气压力被定义为0.3 MPa,允许使用一个紧凑的压缩机。这个执行器是一个McKibben-type人造肌肉,可以生成一个压缩力与空气输入。致动器的力特征测量的设置如图4因为执行力特征的个体差异。

图5实验结果显示这种执行机构的静力特性。横轴表示收缩系数对名义长度。纵轴显示内部压力的压缩力与每个值和长度。致动器能产生超过750 N名义长度为0.3 MPa。力随压缩率,它变成零,在大约20%的压缩。

3所示。材料

3.1。Bioinspired膝关节

我们开发了一个原型的联合机制指的是旋转中心的轨迹(19),如图2。图6显示了原型的结构,它由一个上部,下部,钢丝绳和滑轮。上部和下部移动相对滑动和滚动。上部的旋转中心轴,可以移动在弯曲的洞。一个圆形轮与上部是固定的,与钢丝绳,一边是固定在一个点的下方。转动轴的前后的运动取决于膝关节角因为滑动表面非圆形的形状(见图的图6)。wire-pulley机制也是使用;这种机制定义旋转中心和定点之间的长度(见图的图6)。的实际运动机制如图7。这个关节允许深弯曲膝盖的小电阻的用户和设备(图8)。

3.2。杠杆臂的气动执行机构

图9显示了拟议的助动服的基本结构。上面提到的联合机制被激活McKibben-type人造肌肉。简化的机制,没有减速齿轮。在此结构中,40毫米的压缩需要达到150度弯曲。因此,我们选择了气动肌肉作为执行机构。

达到的目标人物3力特征图5调整的杠杆臂是必需的。因此,我们设计的形状的髌骨外表面设备(图9)。如图5,致动器可以产生很大的力量在一个低收缩速率的范围。力逐渐减少收缩和特定的收缩速度达到零。然而,所需的转矩保持不变在膝盖角度(图80 - 150度3)。要达到这个要求,形状设计有很大的杠杆臂的90度弯曲膝盖。

与这种结构模拟扭矩的一代,我们假设两个摩擦区域,如图10。我们在氟树脂磁带上的表面下方,然后上下零件之间的摩擦系数被定义为0.3。狭缝之间的摩擦系数(铝)和转动轴(不锈钢)被定义为0.4。计算结果如图11。设计曲线几乎达到了目标。

3.3。铰链机制灵活性

增强人体的可穿戴设备的兼容性,应该有合适的机制的灵活性。然而,刚度要求的控制方向。为了满足这些相互冲突的需求,我们使用一对铰链关节,如图12,在人体和机器。的关节有一个简单的旋转关节和连接到股骨(上)设备的一部分。另一个有一个销和槽允许旋转和滑动,附在下方。

膝盖之间的铰链部分安装机制和塑料袖口。塑料袖口收紧在用户的大腿和小腿用宽,可伸缩的支持者。图13显示膝关节的运动机理与铰链部分。腿上的上下袖口适合在绑架和内收的膝盖。膝盖的光滑弯曲和扩展。

4所示。评估的转矩输出

4.1。方法

评估转矩输出,我们准备了一个实验装置如图14。协助设备的基本结构是固定在一个刚性基础。钢丝绳是连接在设备上的特定点的一端。另一端连接有一个力传感器和力传感器是手动固定在底座上,钢丝绳垂直于底部。静态扭矩测量每个膝盖上进行角(7分0和150度之间)。恒定的空气压力为0.3 MPa是应用于致动器为每个膝角(0 - 150度)。膝关节周围的扭矩轴扭矩和力臂的计算。

4.2。结果

图15显示实验结果(图)和设计转矩曲线。扭矩测量的角度小于120度符合设计曲线。摩擦模型中提到的部分3所示。2充分估计设备的静态辅助转矩角小于120度。然而,一个错误测量和设计之间存在转矩在深弯曲超过140度的角。最大弯曲,测量扭矩比设计扭矩减少了33%。

4.3。讨论

解释错误的原因在深弯曲,人物16显示气压传动装置的状况的膝角150度。如图片所示,气动执行机构的主要管深弯曲中被夷为平地;这将可压缩卷在这种状态下。这种扁平的状态可能对应的33%的损失最大的致动器的输出。这个问题可以通过使用一个解决不再执行机构;然而,所需的风量的延迟反应结果的初始时刻站在运动。我们将尝试解决这个问题在未来。

5。评估的援助

5.1。方法

尽管深弯曲短促的输出条件,使用人类的话题我们进行评估测试。男性主体(22岁,体重:65公斤,身高:177厘米)没有任何身体或精神残疾的招募。他穿着他的左腿(图上的辅助设备17)。塑料袖口收紧大腿上和胫骨用宽,可伸缩的支持者。他坐在座位的两个不同高度(210毫米和420毫米)在初始状态。无线肌电图(EMG)传感器(逻辑产品,LP-WS1221)附在他的左大腿肌肉股直肌,和肌电图测量站。灵活的测角仪系统(生物识别技术有限公司,K800和SG110)被用来测量膝关节角。我们刚刚开了一个阀的空气管驱动器的即时站的协助下设备。空气压力维持在0.3 MPa在援助。启动开关被的主题。为每个条件实验重复了五次。

5.2。结果

初始状态的膝关节角度是100度的210毫米的椅子和80度的420毫米的椅子上。图18显示了四个条件实验结果描述如下:(1)肌电图没有援助从100度。(2)肌电图与援助从100度。(3)肌电图没有援助从80度。(4)肌电图与援助从80度。

横轴表示膝盖角度;角从100度的条件()和()和80度的条件()和()。

均方根(RMS)与100毫秒间隔计算从原始EMG信号。平均5次重复测试的结果是相同的角度。最大的条件(1)被定义为最大随意收缩(MVC)。

5.3。讨论

最大输出出现后站,随后逐渐下降。这一趋势是一致的在站(图膝力矩的特点3)。与援助的峰emg显示减少30%和63%,如果没有援助100度“站到80度”站,分别。峰值后,肌电图与援助明显低于那些没有帮助。从这些结果,开发了设备发现成功帮助站只有用户的努力站在最初的时刻。虽然设计辅助转矩只是参考转矩(参见图的一半3和15),设备大大降低肌肉激活没有站的最初阶段。这个结果的原因还不清楚;然而,有可能协助设备还有助于减少肌肉激活维持姿势。在这项研究中,我们为健康的主题进行了实验。然而,这个设备的最终目标是帮助残疾人的地位。为了实现这一目标,我们必须建立生物反馈控制使用EMG信号。这个设备的优点之一是简单的控制。一个反馈控制系统中未使用该设备。我们只输入空气气动执行机构的恒压,因为站的输出特性是机械调整运动。这个优点是有利于发展康复援助适合站。

6。评估的压力

6.1。方法

失调的协助诉讼产生意想不到的压力对用户的关节和皮肤。为了减少这样的压力,我们提出了bioinspired膝关节和柔性铰链部件。在本节中,我们测量了应力应用于设备的三个条件:(1)单轴膝关节(其转动中心固定在膝盖的位置扩展)没有灵活的部分。(2)灵活的单轴膝关节部分。(3)膝关节bioinspired与灵活的部分。

附加上的应变计是膝关节(图的一部分19)。一个健康主题穿膝盖机制和弯曲(0 - 150度)和扩展(150 - 0度)膝盖关节5次没有帮助。额平面的弯矩计算应用于设备的帧从测量压力。

6.2。结果

实验结果如图所示20.。纵轴上的弯矩是上部,横轴是膝关节的角度。负方向的弯矩表示变形远离用户。每个标记表示每个条件的平均价值。误差棒表示标准偏差。

6.3。讨论

在弯矩最大弯曲0.46 Nm, 0.09 Nm, 0.07 Nm条件(),()和(),分别。但是,对于条件(),最大绝对值达到0.11 Nm负方向。在膝关节屈曲,股骨通常有一个5 - 10度的绑架与胫骨(11]。这种运动产生的压力对用户和不受欢迎的帮助。灵活的部分减少了压力80%最大弯曲。此外,最大的变化是0.20和0.11 Nm,条件()和(),分别。膝关节bioinspired减少45%的变异在站的压力。

7所示。结论

在这项研究中,我们开发了一个新的膝关节机制,包括一个扭矩调整机制。我们评估了运动、转矩特性和压力的装置。滑动机制和wire-pulley机制的组合安装主题的弯曲伸缩运动。肌电图测量的结果在站期间显示减少30%和63%的协助下运动在100度和80度的膝盖角度,分别。此外,该设备减少多达80%的压力在额飞机站。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了流体动力技术推广的基础。

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