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An exoskeleton using controlled energy storage and release to aid ankle propulsion.

Published date

An exoskeleton using controlled energy storage and release to aid ankle propulsion.

足首関節推進力を補助するために制御エネルギー記憶装置と退院を使用している外骨格。

Published date

Author

M Bruce Wiggin, Gregory S Sawicki, Steven H Collins

Affiliation

Joint Department of Biomedical Engineering, North Carolina State University and UNC-Chapel Hill, Raleigh, NC, USA. mbwiggin@ncsu.edu

Abstract

Symmetric ankle propulsion is the cornerstone of efficient human walking. The ankle plantar flexors provide the majority of the mechanical work for the step-to-step transition and much of this work is delivered via elastic recoil from the Achilles' tendon - making it highly efficient. Even though the plantar flexors play a central role in propulsion, body-weight support and swing initiation during walking, very few assistive devices have focused on aiding ankle plantarflexion. Our goal was to develop a portable ankle exoskeleton taking inspiration from the passive elastic mechanisms at play in the human triceps surae-Achilles' tendon complex during walking. The challenge was to use parallel springs to provide ankle joint mechanical assistance during stance phase but allow free ankle rotation during swing phase. To do this we developed a novel `smart-clutch' that can engage and disengage a parallel spring based only on ankle kinematic state. The system is purely passive - containing no motors, electronics or external power supply. This `energy-neutral' ankle exoskeleton could be used to restore symmetry and reduce metabolic energy expenditure of walking in populations with weak ankle plantar flexors (e.g. stroke, spinal cord injury, normal aging).

 

対称形の足首関節推進力は、歩いている有能なヒトの礎石である。
足首関節底側屈筋側は大部分の機械的仕事量をステップに対するステップ移行に提供する、そして、本研究の多くはアキレス腱から弾性反跳を経て加えられる-それを効率の高くする。
足底屈筋側が歩くことの間、推進力、体重サポートと揺れ開始において中心的な役割を果たす場合であっても、極めて少ない日常生活用具は足首関節plantarflexionを補助することに集中した。
我々の目的は、歩くことの間、人間の下腿三頭筋-アキレス腱総合ビルでプレーで受動的な弾性機構から吸気をとっている携帯型足首関節外骨格を呈することであった。
チャレンジは、立脚期の間に足関節に機械的援助を提供するために平行した春を使用することになっていたが、遊脚期の間に自由な足首関節回転を可能にすることになっていた。
こうするために、我々は、足首関節運動状態だけに基づく平行したバネを係合することができて、分離することができる新しい『高性能なクラッチ』を開発した。
システムは、単に受動的である ― モーター、電子機器または外部電源を含んでいない。
この『エネルギー中性の』足首関節外骨格は、左右対称を復元して、弱い足首関節底側屈筋側(例えば脳卒中、脊髄損傷、正常な老化)とともに集団の中に歩く代謝的なエネルギー消費を減らすのに用いられることができた。


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