Lower Limb Exoskeleton Design Based on Knee Joint Assistance

Abstract

Human mobility is vital to daily activities and can be directly linked to the living quality. This is an especially severe problem for the patients with walking dysfunction. There is a great need to develop viable mobility solutions to assist individuals and improve their living quality. Wearable gait-assisted exoskeletons are an effective solution to this growing problem. In this research, a passive lower limb exoskeleton which can work on hip and knee joints is proposed for gait assistance. The hip exoskeleton is designed based on specially shaped torsion springs that work with cams for gravity compensation of the human thigh, converting the torque of the built-in torsion springs into a balanced torque of the hip and knee joints in the later stages of the gait stance phase to overcome the effects of gravity. The knee exoskeleton is designed with reference to a new spring-loaded gravity balanced structure used to carry single-degree-of-freedom rotational loads. When worn, it can help the lower leg to push out during gait swing phase to compensate for falls due to the lack of lower leg swing. After the exoskeleton prototype was completed, 3D motion capture experiments were performed to obtain gait parameters. Finally, the effectiveness of the exoskeleton in assisting patients with walking dysfunction was verified using OpenSim simulation software. This paper presents the design and simulation analysis of a passive lower limb exoskeleton based on the "Research and development of a bionic self-adjusting non-motorized walking aid system for patients with walking dysfunction", a key research and development program of the Science and Technology Committee from Shenzhen, Guangdong Province, China. It is particularly important for the structural design of the passive exoskeleton to study the mechanical changes of the lower limbs during the gait cycle through the biomechanical analysis of the lower limbs and to obtain the kinetic and kinematic movement patterns of the lower limbs during a gait cycle. This study has implications for the postoperative rehabilitation of patients with walking dysfunction, and the design and manufacture of personalized mobility-assisting exoskeletons. |인간의 이동성은 일상 활동에 필수적이며 생활의 질과 직접적으로 연결될 수 있다. 이것은 보행 기능 장애 환자에게 특히 심각한 문제입니다. 개인을 돕고 생활의 질을 향상시키기 위해 실행 가능한 이동성 솔루션을 개발할 필요가 있다. 웨어러블 보행 보조 로봇은 이러한 증가하는 문제에 대한 효과적인 솔루션입니다. 이 연구에서는 보행 보조를 위해 고관절과 무릎 관절에 작용할 수있는 수동하지 외골격이 제안되었다. 고관절 외골격은 인간 허벅지의 중력 보상을 위해 캠과 함께 작동하는 특수한 모양의 비틀림 스프링을 기반으로 설계되어 내장 된 비틀림 스프링의 토크를 보행의 후반 단계에서 고관절과 무릎관절의 균형 잡힌 토크로 변환한다. 무릎 외골격은 단일 자유도 회전 하중을 전달하는 데 사용되는 새로운 스프링 하중 중력 균형 구조를 참조하여 설계되었다. 착용시, 보행 스윙 단계에서 다리를 밀어내어 다리 스윙 부족으로 인한 낙상을 보완 할 수 있다. 외골격 프로토 타입이 완성 된 후 보행 매개 변수를 얻기 위해 3D 모션 캡처 실험을 수행한다. 마지막으로, OpenSim 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 보행 장애 환자를 돕는 외골격의 효과를 확인한다.