具有2-DoF的自主活动脚假肢的设计和分析

科学领域:

• 生物医学工程
• 机器人技术
• 生物力学

背景情况:

• 大多数商业脚假肢提供有限的功能,通常为一个主动自由度 (1-DoF).
• 增强步行的稳定性和自然性需要多平面脚运动,包括斜脚和正面平面运动.
• 截肢者可以利用先进的假肢装置恢复自然运动.

研究的目的:

• 开发,建模和分析具有两度自由度 (2-DoF) 的自主活动脚假肢.
• 为了复制腰部 (背部/脚部) 和前部 (反向/转向) 平面的生理运动.
• 增强使用者的步行稳定性和自然性,以改善移动性.

主要方法:

• 使用CAD建模 (SolidWorks 2024) 进行原型设计.
• 进行动态建模和有限元分析 (FEA) 以模拟性能和结构完整性.
• 整合了一种轻量级的机械设计,配备螺丝驱动,步进电机和基于微控制器的控制系统.

主要成果:

• 在斜面和正面平面中达到±20-22度的生理角度范围.
• FEA证实了在弹性范围内最大应力和变形的结构强度 (安全系数约为3.3).
• 估计平均功耗为7-9W,每次充电运行时间超过3小时.

结论:

• 开发的2-DoF自主活跃脚假肢展示了精确,节能和适应性运动控制的潜力.
• 设计提供了增强的步行稳定性和自然性,适合在不平坦的表面上进行真实运动.
• 这项研究推进了负担得起的,功能自主的人体假肢解决方案.