2-DoFの自律的なアクティブアンクル・フット・プロテシスの設計と分析

科学分野:

• 生物医学工学
• ロボット
• バイオメカニクス

背景:

• ほとんどの商業的な足首義足は,機能が制限され,通常は1つのアクティブ自由度 (1-DoF) を提供します.
• 歩行の安定性と自然性を高めるには,足首の多平面運動,サギタルとフロントの平面運動が必要です.
• 義肢を切断された人は 自然な動きを回復する 先進的な義肢装置から 恩恵を受けることができます

研究 の 目的:

• 自由度2度 (2-DoF) の自律的なアクティブな足首義肢を開発し,モデル化し,分析する.
• サギタール (背筋屈折 / 足首屈折) とフロント (逆転 / 逆転) の平面での生理学的動きを再現する.
• 歩行の安定性と自然性を高め,移動性を向上させる.

主な方法:

• プロトタイプ設計のためのCADモデリング (SolidWorks 2024) を利用した.
• 性能と構造的整合性をシミュレートするために動的モデリングと有限要素分析 (FEA) を実行した.
• スクリュードライブ,ステップモーター,マイクロコントローラベースの制御システムで軽量な機械設計を統合した.

主要な成果:

• サギタルとフロントの両面で ±20〜22度の生理学的角範囲を達成した.
• FEAは,弾性限界 (安全系数 ~3.3) の内での最大ストレスと変形による構造の強さを確認した.
• 平均消費電力は7〜9Wで,稼働時間は充電ごとに3時間以上です.

結論:

• 開発された2DoF自律型アクティブアンクル義足は,精密でエネルギー効率の良い,適応的な運動制御の可能性を示しています.
• デザインにより歩行の安定性と自然性が向上し,不均等な表面での実際の移動に適しています.
• この研究により 横断骨の切断を患った人にとって 手頃な価格で 機能的に自律的な義肢を 開発しています