Prototyp ortezy stawu kolanowego oparty na regulowanym mechanizmie czworoboku przegubowego

• Autorzy: Olinski Michał

Warianty tytułu

EN

Knee joint orthosis prototype nased on adjustable 4-bar mechanism

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem artykułu jest przedstawienie prototypu ortezy stawu kolanowego zdolnego do realizacji złożonego ruchu stawu w płaszczyźnie strzałkowej. Jego kinematyka została oparta na zmodyfikowanym mechanizmie skrzyżowanego czworoboku przegubowego. Opracowany został również przestrzenny model CAD o określonych wymiarach, który był podstawą zbudowania prototypu. Wykorzystano części wykonane w technologii addytywnej oraz amortyzatory zastosowane jako krzyżujące się elementy o zmiennej długości. Prototyp zamontowany na stacjonarnym stanowisku doświadczalnym podczas eksperymentów wprawiany był w ruch dzięki siłownikowi. Na prototypie umieszczono kolorowe znaczniki, których nagły ruch analizowano w programie Matlab. Wyniki przeskalowano do wartości rzeczywistych i zaprezentowano w postaci wykresów przedstawiających przemieszczenia poziome, pionowe i trajektorie znaczników oraz obliczony kat zgięcia mechanizmu stawu kolanowego.

EN

The aim of the article is to propose a knee joint orthosis prototype capable of realising a complex joint motion in the sagittal plane. The mechanism’s kinematics based on a modified crossed 4-bar mechanism and 3D CAD design with specified dimensions are prepared. The prototype is assembled with 3D printed elements and common dampers applied as variable length crossing bars. Colour markers are placed on the prototype which is mounted in a stationary experimental rig. The movement is analysed on recorded video images with usage of Matlab software. Results of experiments are presented as plots of marker’s trajectories and knee joint angle.

Słowa kluczowe

PL

teoria maszyn; teoria układów mechatronicznych; prototyp; orteza; staw kolanowy; mechanizm czworoboku przegubowego

EN

machine theory; theory of mechatronic systems; prototype; orthosis; knee joint; articulated quadrilateral mechanism

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika
• Rocznik: 2022
• Tom: z. 197, t. 2
• Strony: 223--232
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Olinski Michał

• Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn i Układów Mechatronicznych

Bibliografia

• 1. G.M. Bapat, S. Srinivasan Sujatha. A method for optimal synthesis of a biomimetic four-bar linkage knee joint for a knee-ankle-foot orthosis. J. Biomimetics, Biomaterials and Biomed. Eng. 2017, 32, s. 20-28.
• 2. T. Bera et al. Comparative study of knee joint torque estimations for linear and rotary actuators using bond graph approach for stand-sit-stand motions. Int. J. of Advanced Robotic Sys. 2020, 17, s. 1-13. 10.1177/1729881420963742.
• 3. D. Cafolla, I-M. Chen, M. Ceccarelli. An experimental characterization of human torso motion. Frontiers of mechanical engineering 2015, 10(4), s. 311-325.
• 4. M. Cardona et al. Alice: Conceptual development of a lower limb exoskeleton robot driven by an on-board musculoskeletal simulator. Sensors 2020, 20(3), 789.
• 5. A. Ciszkieiwcz, J. Knapczyk. Parameters estimation for the spherical model of the human knee joint using vector method. Int. J. app. Mech. Eng. 2014, 19(3), s. 523-537.
• 6. H. Dathe et al. The description of the human knee as four-bar linkage. Acta of Bioengineering and Biomechanics 2016, 18(4), s. 107-115.
• 7. H. Fu et al. A novel prosthetic knee joint with a parallel spring and damping mechanism. Int. J. of Advanced Robotic Systems 2016, vol. 13, no. 4, s. 1-9.
• 8. I. Geonea, M. Ceccarelli, G. Carbone. Desing and analysis pf an exoskeleton for people with motor disabilities. In: The 14th IFToMM World Congress, Taipei, 2015.
• 9. H.J. Kim et al. Development of a passive modular knee mechanism for a lower limb exoskeleton robot and its effectiveness in the workplace. Int. J. of Precision Eng. And Manufacturing 2020, 21, s. 227-236. https://doi.org/10.1007/s12541-019-00217-7.
• 10. J.-H. Kim et al. Design of a knee exoskeleton using foot pressure and knee torque sensors. Int. J. Adv. Robot. Syst. 2015, vol. 12, no. 8, s. 112.
• 11. J.-H. Kim et al. Design of a walking assistance lower limb exoskeleton for paraplegic patients and hardware validation using CoP. Int. J. Adv. Robot syst. 2013, 10, 113.
• 12. K.J. Kim et al. Development of the exoskeleton knee rehabilitation robot using the linear actuator. Int. J. of Precision Eng. And Manufacturing 2012, 13(10), s. 1889-1895.
• 13. M.A. Laribi et al. Identification of upper limb motion specifications via visual tracking for robot assisted exercising. In: RAAd 2018, MMS 2019, 67. Red. N.A. Aspragathos et al. s. 93-101. https://doi.org/10.1007/978-3-030-00232-9_10
• 14. V. Lazar et al. Design of a mechanical interface for a cable-driven rehabilitation device. In: New trends in med. And service rob. MMS, 65. Red. G. Carbone et al. 2019.
• 15. J.L. Lazaro et al. Sensor for distance estimation using FFT of images. Sensors, 2009, 9, s. 10434-10446.
• 16. C. Liang. M. Ceccarelli, Y. Takeda. Operation analysis of a Chebyshev-Pantograph leg mechanism for a single DOF biper robot. Front. Mech. Eng. 2012, 7(4), s. 357-370.
• 17. E.C. Lovasz et al. Studies for a new prosthesis design for the work capacity rehabilitation. Annals of DAAAM & Proceedings 2009, s. 1549-1550.
• 18. M. Mateas et al. Novel rehabilitation system for the lower limb. In: IOP Conference Series: Science and Engineering, 2018, 444.052021.
• 19. A. Muraszkowski, J. Szrek. The concept of mobile system of analysis and visualisation of human gait parameters. In: 23rd Int. Conf. Eng. Mechanics. 2017, s. 678-681.
• 20. M. Nabrdalik, M. Sobociński. The finite element method in the analysis of the stress and strain distribution in polyethylene elements of hip and knee joints endoprostheses. In: MATEC Web of Conferences 254 (02025), MMS 2018.
• 21. F. Nardini et al. An anatomical based subject specific model of in-vivo knee joint 3D kinematics from medical imaging. Appl. Sci. 2020, 10, 2100.
• 22. M. Olinski et al. 2016.12.20. Mechatroniczny układ do modyfikacji trajektorii, zwłaszcza protezy kolana. Pat.228032.
• 23. M. Olinski, A. Gronowicz, M. Ceccarelli. Development and characterisation of a controllable adjustable knee joint mechanism. Mech. Mach. Theory 2021, 155, 104101.
• 24. M. Olinski et al. Design and characterization of a novel knee articulation mechanism. Int. J. of Applied Mechanics and Eng. 2017, s. 611-622.
• 25. M. Olinski et al. Human motion characterization using wireless inertial sensors. In: New Advances in Mech., MTR: MMS 2017, 46. Red. B.J. Corves et al. s. 328-335.
• 26. H. Terada et al. Development of an assisting instrument of standing-up motion using driving springs for elderly persons. In: New Advances in Mechanisms, Mechanical Transmissions and Robotics. MMS, 46. Red. B. Corves et al. Springer 2016.
• 27. R. Trochimczuk, T. Kuźmierowski. Kinematic analysis of cpm machine supporting to rehabilitation process after surgical knee arthroscopy and arthroplasty. Int. J. of Applied Mech. And Eng. 2014, 19(4), s. 41-848. DOI:10.2478/ijame-2014-0059.
• 28. P.S. Walker et al. External knee joint design based on normal motion. J. of Rehabilitation Research and Development 1985, 22(1), s. 9-22.
• 29. S. Zhu et al. Non-linear sliding mode control of the lower extremity exoskeleton based on human-robot cooperation. Int. J. adv. Robot syst. 2016, 13 (5), 662788.
• 30. Y. Zhu et al. Study of wearable knee assistive instruments for walk rehabilitation. J. of advanced mechanical design, systems, and manufacturing 2012, 6(2), s. 260-273.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).