Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Thiết kế thiết bị hỗ trợ đầu gối dựa trên cơ cấu liên kết bốn thanh và cơ bắp nhân tạo thủy lực
Tóm tắt
Một trong những thách thức chính đối với người cao tuổi là sức mạnh chi dưới không đủ trong chuyển động từ ngồi sang đứng, điều này có thể được cải thiện bằng cách hỗ trợ khớp từ bên ngoài. Các bộ exoskeleton chi dưới hiện có sử dụng các khớp quay hoàn hảo làm khớp gối, điều này không tương thích với sinh cơ học của khớp người. Các thiết bị này cũng yêu cầu một hệ thống điều khiển phức tạp để tạo ra mô-men xoắn cần thiết ở góc khớp tương ứng. Trong nghiên cứu này, một thiết bị hỗ trợ đầu gối sử dụng cơ cấu khớp bốn thanh và cơ bắp nhân tạo thủy lực (HAM) đã được thiết kế. Khớp liên kết bốn thanh đã được sửa đổi trước đó để phù hợp với HAM. Ngoài ra, Thanh Nghiêng được đề xuất để khai thác mối quan hệ lực-co của HAM nhằm tạo ra mô-men xoắn mong muốn ở góc tương ứng chỉ bằng cách áp dụng áp suất thủy lực không đổi mà không cần sử dụng một hệ thống điều khiển phức tạp. Thiết bị có khả năng tạo ra mô-men xoắn tối đa 126,55 Nm ở góc khớp gối 100$$^{\circ }$$ trong quá trình tải và 70,69 Nm ở 100$$^{\circ }$$ trong quá trình giải phóng tại áp suất 3 MPa. Sai số bình quân căn của đường cong mô-men xoắn duỗi gối là 13,01 Nm. Thí nghiệm với một tình nguyện viên khỏe mạnh cho thấy sự giảm đáng kể hoạt động cơ bắp với sự hỗ trợ từ thiết bị. Tín hiệu EMG tối đa xử lý được với và không có sự hỗ trợ lần lượt là 52,10 và 20,93 $${\upmu \mathrm{V}}$$.
Từ khóa
#thiết bị hỗ trợ đầu gối #cơ cấu liên kết bốn thanh #cơ bắp nhân tạo thủy lực #mô-men xoắn #người cao tuổiTài liệu tham khảo
Dall PM, Kerr A (2010) Frequency of the sit to stand task: an observational study of free-living adults. Appl Ergon 41(1):58–61. https://doi.org/10.1016/J.APERGO.2009.04.005
Grant PM, Dall PM, Kerr A (2011) Daily and hourly frequency of the sit to stand movement in older adults: a comparison of day hospital, rehabilitation ward and community living groups. Aging Clin Exp Res 23(5–6):437–44
Jensen J, Lundin-Olsson L, Nyberg L, Gustafson Y (2002) Falls among frail older people in residential care. Scand J Public Health 30(1):54–61. https://doi.org/10.1177/14034948020300011201
Rapp K, Becker C, Cameron ID, König H-H, Büchele G (2012) Epidemiology of falls in residential aged care: analysis of nore than 70,000 falls from residents of Bavarian nursing homes. J Am Med Dir Assoc 13(2):187–11876. https://doi.org/10.1016/J.JAMDA.2011.06.011
Fried LP, Ferrucci L, Darer J, Williamson JD, Anderson G (2004) Untangling the concepts of disability, frailty, and comorbidity: implications for improved targeting and care. J Gerontol Ser A: Biol Sci Med Sci 59(3):255–263. https://doi.org/10.1093/gerona/59.3.m255
Rubenstein LZ (2006) Clinical risk assessment, interventions and services falls in older people: epidemiology, risk factors and strategies for prevention. Age Ageing. https://doi.org/10.1093/ageing/afl084
Kotake T, Dohi N, Kajiwara T, Sumi N, Koyama Y, Miura T (1993) An analysis of sit-to-stand movements. Archi Phys Med Rehabil 74(10):1095–1099. https://doi.org/10.1016/0003-9993(93)90068-L
Schenkman M, Hughes MA, Samsa G, Studenski S (1996) The relative importance of strength and balance in chair rise by functionally impaired older individuals. J A Geriatr Soc 44(12):1441–1446. https://doi.org/10.1111/j.1532-5415.1996.tb04068.x
Kamnik R, Bajd T (2004) Standing-up robot: an assistive rehabilitative device for training and assessment. J Med Eng Technol 28(2):74–80. https://doi.org/10.1080/0309190032000112306
Fraiszudeen A, Yeow CH (2016) Soft robotic sit-To-stand trainer seat. In: Proceedings of the IEEE RAS and EMBS International Conference on biomedical robotics and biomechatronics, vol. 2016, p 673–679. IEEE Computer Society, UTown, Singapore. https://doi.org/10.1109/BIOROB.2016.7523703
Scaletta T, Komada S, Member Roberto Oboe S (2016) Development of a human assistive robot to support hip joint movement during sit-to-stand using non-linear springs. IEEJ J Ind Appli 5(3):261–266. https://doi.org/10.1541/ieejjia.5.261
Tsukahara A, Kawanishi R, Hasegawa Y, Sankai Y (2010) Sit-to-stand and stand-to-sit transfer support for complete paraplegic patients with Robot Suit HAL. Adv Robotics 24:1615–1638. https://doi.org/10.1163/016918610X512622
Huo W, Mohammed S, Amirat Y, Kong K (2016) Active impedance control of a lower limb exoskeleton to assist sit-to-stand movement. Proceedings - IEEE international conference on robotics and automation 2016. p 3530–3536. https://doi.org/10.1109/ICRA.2016.7487534
Shepherd MK, Rouse EJ (2017) Design and validation of a Torque-Controllable knee exoskeleton for sit-to-stand assistance. IEEE/ASME Trans Mechatron 22(4):1695–1704. https://doi.org/10.1109/TMECH.2017.2704521
Hughes MA, Myers BS, Schenkman ML (1996) The role of strength in rising from a chair in the functionally impaired elderly. J Biomech 29(12):1509–1513. https://doi.org/10.1016/S0021-9290(96)80001-7
Corrigan D, Bohannon RW (2001) Relationship between knee extension force and stand-up performance in community-dwelling elderly women. Arch Phys Med Rehabil 82(12):1666–1672. https://doi.org/10.1053/apmr.2001.26811
Yoshioka S, Nagano A, Himeno R, Fukashiro S (2007) Computation of the kinematics and the minimum peak joint moments of sit-to-stand movements. BioMed Eng Online 6(1):26. https://doi.org/10.1186/1475-925X-6-26
Hollman JH, Deusinger RH, Dillen LRV, Matava MJ (2002) Knee joint movements in subjects without knee pathology and subjects with injured anterior cruciate ligaments. Phys Ther 82(10):960–972. https://doi.org/10.1093/ptj/82.10.960
Hollman JH, Deusinger RH, Van Dillen LR, Matava MJ (2003) Gender differences in surface rolling and gliding kinematics of the knee. Clin Orthop Relat Res 413:208–221. https://doi.org/10.1097/01.blo.0000072902.36018.fe
Koo S, Andriacchi TP (2008) The knee joint center of rotation is predominantly on the lateral side during normal walking. J Biomech 41(6):1269–1273. https://doi.org/10.1016/J.JBIOMECH.2008.01.013
Huo W, Mohammed S, Moreno JC, Amirat Y (2016) Lower limb wearable robots for assistance and rehabilitation: a state of the art. IEEE Syst J 10(3):1068–1081. https://doi.org/10.1109/JSYST.2014.2351491
Morita R, Nabae H, Endo G, Suzumori K (2018) A proposal of a new rotational-compliant joint with oil-hydraulic McKibben artificial muscles. Adv Robotics 32(9):511–523. https://doi.org/10.1080/01691864.2018.1464946
Schulte FH (1961) The Characteristics of the McKibben artificial muscle. In: The application of external power in prosthetics and orthotics, p 94–115. National Academy of Sciences-National Research Council, Washington.
Kurumaya S, Nabae H, Endo G, Suzumori K (2017) Design of thin McKibben muscle and multifilament structure. Sens Actuators A 261:66–74. https://doi.org/10.1016/j.sna.2017.04.047
Radcliffe CW (1994) Four-bar linkage prosthetic knee mechanisms: kinematics, alignment and prescription criteria. Prosthet Orthot Int 18(3):159–173. https://doi.org/10.3109/03093649409164401
Karami M, Maurice G, Andre JM (2004) A model of exo-prosthesis of the knee optimized with respect to the physiological motion of condyles. ITBM-RBM 25(3):176–184. https://doi.org/10.1016/J.RBMRET.2004.03.003
Zavatsky AB, O’Connor JJ (1992) A model of human knee ligaments in the sagittal plane: part 2: fibre recruitment under load. Proc Inst Mech Eng Part H: J Eng Med 206(3):135–145. https://doi.org/10.1243/PIME_PROC_1992_206_281_02
Bertomeu JMB, Lois JMB, Guillem RB, Del Pozo ÁP, Lacuesta J, Mollà CG, Luna PV, Pastor JP (2007) Development of a hinge compatible with the kinematics of the knee joint. Prosthet Orthot Int 31(4):371–383. https://doi.org/10.1080/03093640601095842
Weisstein EW. Line-line intersection. Wolfram Research, Inc. http://mathworld.wolfram.com/Line-LineIntersection.html Accessed 13 Nov 2019
Zatsiorsky VM (2002) Kinetics of Human Motion. Human Kinetics, Champaign
De Leva P (1996) Adjustments to zatsiorsky-seluyanov’s segment inertia parameters. J Biomech 29(9):1223–1230. https://doi.org/10.1016/0021-9290(95)00178-6
Mak MKY, Levin O, Mizrahi J, Hui-Chan CWY (2003) Joint torques during sit-to-stand in healthy subjects and people with Parkinson’s disease. Clin Biomech 18(3):197–206. https://doi.org/10.1016/S0268-0033(02)00191-2
Kamali K, Akbari AA, Akbarzadeh A (2016) Trajectory generation and control of a knee exoskeleton based on dynamic movement primitives for sit-to-stand assistance. Adv Robotics 30(13):846–860. https://doi.org/10.1080/01691864.2016.1154800
Nath JD, Durfee WK (2017) Optimization and design principles of a minimal-weight, wearable hydraulic power supply. In: ASME 2017 Dynamic Systems and Control Conference, DSCC 2017, vol. 1. American Society of Mechanical Engineers, Tysons. https://doi.org/10.1115/DSCC2017-5046
Tani A, Endo G, Fukushima EF, Hirose S, Iribe M, Takubo T (2011) Study on a practical robotic follower to support home oxygen therapy patients-development and control of a mobile platform. In: IEEE/RSJ International conference on intelligent robots and systems, pp 2423–2429. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), San Francisco. https://doi.org/10.1109/iros.2011.6094633