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Design and Validation of a Cable-Driven Joint Actuator for Pediatric Knee Orthoses

执行机构 扭矩 步态训练 模拟 计算机科学 步态 机器人 康复 工程类 物理医学与康复 物理疗法 医学 人工智能 物理 热力学
作者
Jason Wiebrecht,Jacob A. Strick,Ryan J. Farris,Jerzy T. Sawicki
出处
期刊:Journal of biomechanical engineering [ASM International]
卷期号:: 1-37
标识
DOI:10.1115/1.4068369
摘要

Abstract Robot-assisted gait rehabilitation is an increasingly common therapeutic intervention for enhancing locomotion and improving quality of life for children with lower-limb mobility impairments. However, there are few systems specifically designed for pediatric use, and those that do exist are largely cumbersome, bulky and non-custom devices that ultimately reduce therapy effectiveness. This paper introduces the Cable-Driven Joint System (CDJS), a novel approach for pediatric gait rehabilitation that addresses these shortcomings in a lightweight and compact robotic device using the patient's fitted orthosis. The CDJS consists of a 2.1 kg actuation unit that is held by a clinician which delivers assistive torques through a Bowden cable transmission to a 0.3 kg joint mounted to user-custom bracing. This work details an actuator benchtop evaluation, demonstrating a peak torque of 20 Nm, peak velocity of 7.2 rad/s, bandwidth of 9.7 Hz and a mass moment of inertia of 58.38 kg·cm2. An actuator model was developed and evaluated in simulation, showing a strong correlation with experimental torque data (R-squared = 0.95) and indicating a transmission efficiency of 72%. In-air gait tracking experiments on an emulated subject showed that the CDJS assisted the subject to track a nominal knee trajectory with an average root mean squared error of 2.56° at a continuous torque of 1.37 Nm. These results suggest that the cable-driven actuator meets the design requirements for pediatric gait rehabilitation and is ready for clinical device trials.

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