Published October 1, 2023 | Version v1
Publication Open

Mechatronic Design and Control of a Rigid-Soft Hybrid Knee Exoskeleton for Gait Intervention

  • 1. Peking University
  • 2. Beijing Academy of Artificial Intelligence

Description

Knee exoskeletons have gained increasing attention for gait training and intervention. The effectiveness of conventional rigid exoskeletons is degraded by bulkiness, high inertia, and joint misalignment. The soft configurations relax the constraints on the knee joint, thus circumvent the misalignment issue, and reduce the system size and weight. However, the soft exoskeletons sacrifice the load sharing capability from rigid support, and also the mechanical stop for constraining joint working range to avoid unsafe knee hyperextension. This article presents a novel rigid-soft hybrid exoskeleton to provide bidirectional interventions safely for knee joint motion. The design is lightweight (1.2 kg to wear), avoids the rigid rotation center that induces knee joint misalignment, has minimal impact on normal walking kinematics, and is able to provide support to the human body. A gait intervention strategy is designed under the hybrid model of human and exoskeleton. Comprehensive experiments are conducted to demonstrate the capability of the presented exoskeleton on gait intervention.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

اكتسبت الهياكل الخارجية للركبة اهتمامًا متزايدًا بالتدريب على المشي والتدخل. تتدهور فعالية الهياكل الخارجية الصلبة التقليدية بسبب الضخامة والقصور الذاتي الشديد واختلال محاذاة المفاصل. تعمل التكوينات اللينة على تخفيف القيود المفروضة على مفصل الركبة، وبالتالي التحايل على مشكلة عدم المحاذاة، وتقليل حجم النظام ووزنه. ومع ذلك، فإن الهياكل الخارجية اللينة تضحي بقدرة تقاسم الحمل من الدعم الصلب، وكذلك التوقف الميكانيكي لتقييد نطاق عمل المفصل لتجنب فرط تمدد الركبة غير الآمن. تقدم هذه المقالة هيكلًا خارجيًا هجينًا صلبًا وناعمًا جديدًا لتوفير تدخلات ثنائية الاتجاه بأمان لحركة مفصل الركبة. التصميم خفيف الوزن (1.2 كجم للارتداء)، ويتجنب مركز الدوران الصلب الذي يحث على عدم محاذاة مفصل الركبة، وله تأثير ضئيل على حركات المشي الطبيعية، وقادر على تقديم الدعم لجسم الإنسان. تم تصميم استراتيجية تدخل المشية في إطار النموذج الهجين للإنسان والهيكل الخارجي. يتم إجراء تجارب شاملة لإثبات قدرة الهيكل الخارجي المقدم على التدخل في المشية.

Translated Description (French)

Les exosquelettes du genou ont attiré de plus en plus d'attention pour l'entraînement et l'intervention de la démarche. L'efficacité des exosquelettes rigides conventionnels est dégradée par l'encombrement, l'inertie élevée et le désalignement des articulations. Les configurations souples relâchent les contraintes sur l'articulation du genou, contournant ainsi le problème de désalignement et réduisant la taille et le poids du système. Cependant, les exosquelettes souples sacrifient la capacité de partage de la charge du support rigide, ainsi que la butée mécanique pour contraindre la plage de travail articulaire afin d'éviter une hyperextension dangereuse du genou. Cet article présente un nouvel exosquelette hybride rigide-molle pour fournir des interventions bidirectionnelles en toute sécurité pour le mouvement de l'articulation du genou. La conception est légère (1,2 kg à porter), évite le centre de rotation rigide qui induit un désalignement de l'articulation du genou, a un impact minimal sur la cinématique de marche normale et est capable de fournir un soutien au corps humain. Une stratégie d'intervention de la démarche est conçue sous le modèle hybride de l'humain et de l'exosquelette. Des expériences complètes sont menées pour démontrer la capacité de l'exosquelette présenté à intervenir sur la marche.

Translated Description (Spanish)

Los exoesqueletos de rodilla han ganado cada vez más atención para el entrenamiento y la intervención de la marcha. La efectividad de los exoesqueletos rígidos convencionales se degrada por el volumen, la alta inercia y la desalineación de las articulaciones. Las configuraciones blandas relajan las restricciones en la articulación de la rodilla, evitando así el problema de desalineación y reduciendo el tamaño y el peso del sistema. Sin embargo, los exoesqueletos blandos sacrifican la capacidad de compartir la carga del soporte rígido, y también el tope mecánico para restringir el rango de trabajo de la articulación para evitar la hiperextensión insegura de la rodilla. Este artículo presenta un nuevo exoesqueleto híbrido rígido-suave para proporcionar intervenciones bidireccionales de forma segura para el movimiento de la articulación de la rodilla. El diseño es ligero (1,2 kg de desgaste), evita el centro de rotación rígido que induce la desalineación de la articulación de la rodilla, tiene un impacto mínimo en la cinemática normal de la marcha y es capaz de proporcionar soporte al cuerpo humano. Se diseña una estrategia de intervención de la marcha bajo el modelo híbrido de humano y exoesqueleto. Se realizan experimentos exhaustivos para demostrar la capacidad del exoesqueleto presentado en la intervención de la marcha.

Files

10057135.pdf.pdf

Files (245 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:9ef4bd5e4a0084eb283c7feb17f6b31a
245 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تصميم الميكاترونيك والتحكم في الهيكل الخارجي للركبة الهجينة الصلبة الناعمة للتدخل في المشي
Translated title (French)
Conception mécatronique et contrôle d'un exosquelette de genou hybride rigide-doux pour l'intervention de la marche
Translated title (Spanish)
Diseño mecatrónico y control de un exoesqueleto híbrido rígido blando de rodilla para la intervención de la marcha

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4322731362
DOI
10.1109/tmech.2023.3245810

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1480865411
  • https://openalex.org/W2002161214
  • https://openalex.org/W2049135373
  • https://openalex.org/W2058859842
  • https://openalex.org/W2069152157
  • https://openalex.org/W2085730950
  • https://openalex.org/W2136425584
  • https://openalex.org/W2144781570
  • https://openalex.org/W2343715419
  • https://openalex.org/W2562068770
  • https://openalex.org/W2572615266
  • https://openalex.org/W2614919192
  • https://openalex.org/W2737156933
  • https://openalex.org/W2746353924
  • https://openalex.org/W2765826136
  • https://openalex.org/W2794037572
  • https://openalex.org/W2953511578
  • https://openalex.org/W2965508579
  • https://openalex.org/W3004657777
  • https://openalex.org/W3010918129
  • https://openalex.org/W3018853031
  • https://openalex.org/W3020663186
  • https://openalex.org/W3048277360
  • https://openalex.org/W3124674856
  • https://openalex.org/W3174451086
  • https://openalex.org/W4225884659
  • https://openalex.org/W4226148091
  • https://openalex.org/W4255167014
  • https://openalex.org/W4285295300