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Metabolically efficient walking assistance using optimized timed forces at the waist

推进 质心(相对论) 扭矩 工作(物理) 控制理论(社会学) 地面反作用力 计算机科学 力场(虚构) 常量(计算机编程) 模拟 机器人
作者
Prokopios Antonellis,Arash Mohammadzadeh Gonabadi,Sara A. Myers,Iraklis I. Pipinos,Philippe Malcolm
出处
期刊:Science robotics [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:7 (64)
标识
DOI:10.1126/scirobotics.abh1925
摘要

The metabolic rate of walking can be reduced by applying a constant forward force at the center of mass. It has been shown that the metabolically optimal constant force magnitude minimizes propulsion ground reaction force at the expense of increased braking. This led to the hypothesis that selectively assisting propulsion could lead to greater benefits. We used a robotic waist tether to evaluate the effects of forward forces with different timings and magnitudes. Here, we show that it is possible to reduce the metabolic rate of healthy participants by 48% with a greater efficiency ratio of metabolic cost reduction per unit of net aiding work compared with other assistive robots. This result was obtained using a sinusoidal force profile with peak timing during the middle of the double support. The same timing could also reduce the metabolic rate in patients with peripheral artery disease. A model explains that the optimal force profile accelerates the center of mass into the inverted pendulum movement during single support. Contrary to the hypothesis, the optimal force timing did not entirely coincide with propulsion. Within the field of wearable robotics, there is a trend to use devices to mimic biological torque or force profiles. Such bioinspired actuation can have relevant benefits; however, our results demonstrate that this is not necessarily optimal for reducing metabolic rate.
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