クラッチ可能なシリーズ弾性アクチュエーター：義肢膝の設計への示唆

現在、膝上切断者の移動性は、生物学的に正確な動きを効率的に再現できる義肢の不足に制限されています。本研究では、クラッチ可能なシリーズ弾性アクチュエーター（CSEA）と呼ばれる新しいメカニズムを利用して、電動膝義肢を設計しました。CSEAには、従来のシリーズ弾性アクチュエーター内に電動モーターと並列に配置された低出力のクラッチが含まれています。シリーズ弾性の剛性は、移動のスタンスフェーズにおける膝のトルク-角度関係の弾性保存領域に一致するように調整されました。この領域では、クラッチを使用してシリーズ弾性にエネルギーを効率的に蓄積しました。完全自律膝義肢の設計には、ブラシレス電動モーター、ボールスクリュー伝達、ケーブル駆動、および商用電気部品が利用されました。膝は、8パーセンタイルよりも軽く、1パーセンタイルの男性の脛部よりも短く設計されました。CSEA膝は、1.3 m/sで歩行する片側膝上切断者でテストされました。歩行中、CSEA膝は生物学的膝によって生成されるネットワークおよびスタンス屈曲角度と17％、27％の範囲内で一致する生物力学的に正確なトルク-角度挙動を提供しました。さらに、移動のプロセスはCSEA膝の正味電力消費を減少させました。膝のモーターは1.8 J/ストライドを生成し、正味エネルギー消費は3.6 J/ストライドであり、以前に発表された電動膝義肢のエネルギー量よりも桁違いに少ないものでした。