This paper describes design of a robotic above-knee prosthetic leg which is powered by electrical motors. As a special feature, the robotic prosthetic leg has enough D.O.F.s. For mimicking the human leg, the robotic prosthetic leg is composed of five joints. Three of them are called 'active joint' which is driven by electrical motors. They are placed at the knee-pitch-axis, the ankle-pitch-axis, and the an! kle-roll-axis. Every 'active joint' has enough torque capacity to overcome ground reaction forces for walking and is backlashless for accurate motion generation and high-performance balance control. Other two joints are called 'passive joint' which is activating by torsion spring. They are placed at the toe part and designed by Crank-rocker mechanism using kinematic design approach. In order to verify working performance of the robotic prosthetic leg, we designed a gait trajectory through motion capture technique and experimentally applied it to the robot.
This study was investigated the stability of the AK amputee gait through analysing the variability on kinematic variables between the sound leg and the prosthetic limb. The one male, AK amputee who could walk for himself with his prosthetic limb was participated in this study. Six cameras of the MCU 240 and the QTM(Qualisys Track Manager) software were used for data collecting in this study. The relative angle of both segments was the difference between the absolute angle of the distal segment and the absolute angle of the proximal segment. The coupling angles between the prosthetic limb and the sound leg were caculated on the thigh Flexion/Extension in relative to the shank Flexion/Extension and the shank Flexion/Extension n relative to the foot Flexion/Extension. In order to evaluate the variability of segment and joint angle, C.V. was used, and to evaluate the variability for coupling angles, the Relative motion calculated by vector coding method of the continuous methods was used. As stated, the gait pattern of the prosthetic limb was almost similar gait pattern of the sound leg, but the prosthetic limb showed that the gait pattern of the sound leg and the prosthetic limb were not stable against the sound leg.
A prosthetic knee for above-knee (AK) amputee is categorized into passive and active type. The passive prosthetic knee is generally made by elastic material. Although AK amputee can easily walk by using passive prosthetic leg, knee joint motions are not similar to ordinary persons. The active prosthetic leg can control the knee angle owing to the actuator and microprocessor. However, the active type is not cost-effective and the stability may be lost due to the malfunction of sensors. In order to resolve these disadvantages of passive and active type, a semi-active prosthetic knee which can control the knee angle is proposed in this work. The proposed semi-active one requires a less input energy but provides active type performance. In order to achieve this goal, in this work, a semi-active prosthetic knee using magneto-rheological (MR) damper for AK amputees is designed. The MR damper can support the weight of body by using less energy than actuator of active prosthetic. It can control knee angle by inducing the magnetic field at the time of stance phase. This salient characteristic is evaluated and presented in this work.
Lower limb amputees are increasing due to various reasons. It is difficult for lower limb amputees to walk without an assistive device such as a prosthetic leg. In this paper, an electronically controlled knee-type prosthetic leg with a 4-bar linkage structure for lower limb amputees was developed. The knee-type prosthetic leg has a 4-bar linkage structure and assists walking by using an integrated drive module. The torque is 90 Nm, the rotation speed is up to 120 deg, and it weight 1.9 kg, so it is lighter than a commercial prosthetic leg, so it can be used for a long time because there is less fatigue when walking. An integrated control board was developed by applying various sensors and microprocessor. The motor drive and encoder are built into the integrated drive module. The integrated control board and integrated drive module communicate using CAN. When a lower limb amputee wears a knee-type prosthetic leg and walks, it shows a shape similar to the swing phase graph of a normal people, and it is possible to walk naturally while walking.
One of the important functions of prosthetic foot is the foot inversion-eversion which is so important when walking on uneven surfaces. The aim of our study was to evaluate the effect of foot eversion angle especially on knee and ankle joint for transtibial amputees by motion analysis. The experimental data were collected from three transtibial amputees and then ten healthy individuals. To simulate walking on side sloping ground, we used custom-made slope (5, 10, 15 degrees). Motion analysis was performed by 3-dimensional motion analyzer for 6 dynamic prosthetic feet. The results showed that knee abduction moments of amputated leg were decreased but those of sound leg were mainly increased as foot eversion angle increased. And ankle abduction moments of sound leg were inconsistent in magnitude and tendency between control and experimental group. Therefore foot eversioncharacteristics should be considered to develop advanced prosthetic foot.
The purpose of this study was to compare kinematic variables and stiffnesses of ankle joints between normal person and transfemoral amputee gait in order to develop or fit prosthetic leg. Twenty subjects (ten normal persons and ten transfemoral amputees) participated in this experiment, and walked three trials at a self-selected pace. The gait motions were captured with Vicon system and variables were calculated with Visual-3D. The velocity, stride length, stride width, cycle time, double limb support time and right swing time of gaits were statistically significant. Because coefficients of variability of normal persons on velocity, double limb support time and swing time were greater than transfemoral amputees, normal persons controlled these gait variables effectively. The stiffnesses of ankle joints were not statistically significant, but patterns of stiffnesses of ankle joints during three rockers were absolutely different. The negative correlations between stiffnesses of ankle joints and cycle time and swing time were presented. These differences suggest that developing and fitting prosthetic leg were demanded. Further studies should develop fitting program and simulator of prosthetic leg.
One of the important functions of prosthetic foot is the foot inversion-eversion which is so important when walking on uneven surfaces. The aim of our study was to evaluate the effect of foot eversion angle especially on knee and ankle joint for transtibial amputees by motion analysis. The experimental data were collected from three transtibial amputees and then ten healthy individuals. To simulate walking on side sloping ground, we used custom-made slope (5, 10, 15 degrees). Motion analysis was performed by 3-dimensional motion analyzer for 6 dynamic prosthetic feet. The results showed that knee abduction moments of amputated leg were decreased but those of sound leg were mainly increased as foot eversion angle increased. And ankle abduction moments of sound leg were inconsistent in magnitude and tendency between control and experimental group. Therefore foot eversioncharacteristics should be considered to develop advanced prosthetic foot.
의수나 의족장치 개발은 전 세계적으로 꾸준히 이루어지고 있으며, 사람의 손과 똑같이 만들어 내거나 감각을 느끼게 하는 것은 힘들겠지만, 물건을 집거나 몇 가지 움직임을 마음먹은 대로 할 수 있다면 절단 장애인들에게는 큰 도움이 될 것이다. 3D프린팅 기술의 발달로 저렴한 의수개발이 가능해졌으며, 이러한 추세에 맞추어 개인맞춤형 의수를 비슷한 가격에 개발할 수 있다면 활용도 및 보급률이 훨씬 높아질 것이다. 본 논문에서는 3D프린팅을 이용하여 사용자 맞춤형 의수를 개발하는 방법에 대해 기술한다. 이를 위해 의수 외형 모델링의 변형수치를 가변값으로 추출하고, 의수 동작을 제어하는 기능을 소프트웨어 디자인 패턴을 이용하여 설계한다. 이를 통해 의수를 필요로 하는 사람들이 각자 원하는 자신만의 의수를 빠르고 저렴한 가격에 갖출 수 있도록 한다.
대퇴의족은 절단하지를 대체하여 보행을 수행하는 기기이며, 불연속적으로 변하는 보행 환경에 대응하기 위해 사용자의 의도 제공을 통한 보행 모드 변경을 요구한다. 외부의 제어 기기 없는 자연스러운 보행 모드 변경을 위한 요구로 절단 부위와 직접 접촉하는 소켓 내부의 생체 역학적 특징을 통해 사용자의 의도를 검출하는 연구가 수행되어 왔다. 하지만 아직까지 절단 부위의 신체 및 소켓 내부 환경에 적합한 센서 시스템의 요구가 남아있다. 따라서 본 연구에서는 절단 부위의 신체 특성에 적합하고 소켓 내부 온습도 조건에 영향을 받지 않으며 다양한 크기의 제작이 쉬운 필름 형태의 센서 시스템을 제안하였다. 제안된 센서는 Velostat 필름으로 제작되었으며 크기에 따라 달라지는 압력 계측 특성이 고려되었다. 실험을 통해 착용자의 의도적인 자세 수행에 의한 소켓 내부 압력 변화를 계측하였으며 보행 모드 변경 의도 검출의 가능성을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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