Разработка легкого регулируемого коленного экзоскелета для реабилитации
DOI:
https://doi.org/10.52889/1684-9280-2025-76-jto019Ключевые слова:
экзоскелет, реабилитация, коленный сустав, ходьба, походка, постуральное равновесиеАннотация
Травмы коленного сустава и нарушения подвижности часто требуют длительной реабилитации, для которой роботизированные экзоскелеты показали клинический потенциал. Однако многие существующие устройства ограничены высокой массой, недостаточной возможностью регулировки и низким уровнем создаваемого крутящего момента, что снижает их применимость в реальных клинических условиях. Цель данного исследования заключается в разработке и оценке легкого регулируемого коленного экзоскелета с улучшенной эргономикой и функциональными характеристиками для реабилитации. Экзоскелет разработан с использованием структурной оптимизации на основе компьютерного моделирования для достижения баланса между прочностью и массой. Материалы подбирались с учетом нагрузочных требований: для легких конструктивных элементов использовался акрилонитрил-бутадиен-стирол, а для критически нагруженных узлов армированная сталь. В качестве привода применялся бесщеточный двигатель постоянного тока, а система была спроектирована с возможностью трехосевой регулировки выравнивания. Симуляционные исследования проводились для оценки крутящего момента, распределения массы и биомеханической целесообразности. Оптимизированная конструкция имеет расчетную массу менее 7 килограммов, что представляет собой значительное снижение по сравнению с традиционными устройствами. Приводная система обеспечивала крутящий момент до 120 ньютон-метров, что достаточно для выполнения распространенных реабилитационных задач. Биомеханические симуляции показали, что экзоскелет может применяться для ходьбы, перехода из положения сидя в положение стоя и подъема по лестнице. Механизм регулируемого выравнивания повысил эргономичность, позволив адаптировать устройство к различным типам телосложения и снизить риск несоосности суставов во время эксплуатации. Предложенный коленный экзоскелет с легкой конструкцией и высокой мощностью привода является перспективным решением для клинической реабилитации. По сравнению с существующими разработками он обеспечивает более высокий уровень безопасности, комфорта и адаптивности, что делает его применимым для различных реабилитационных сценариев. В дальнейшие этапы работы войдут изготовление прототипа, экспериментальная валидация и пилотные клинические испытания.
Библиографические ссылки
1. GBD 2021 Other Musculoskeletal Disorders Collaborators (2023). Global, regional, and national burden of other musculoskeletal disorders, 1990-2020, and projections to 2050: a systematic analysis of the Global Burden of Disease Study 2021. The Lancet. Rheumatology, 5(11), e670–e682. https://doi.org/10.1016/S2665-9913(23)00232-1
2. GBD 2019 Stroke Collaborators (2021). Global, regional, and national burden of stroke and its risk factors, 1990-2019: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2019. The Lancet. Neurology, 20(10), 795–820. https://doi.org/10.1016/S1474-4422(21)00252-0
3. Cieza, A., Causey, K., Kamenov, K., Hanson, S. W., Chatterji, S., & Vos, T. (2021). Global estimates of the need for rehabilitation based on the Global Burden of Disease study 2019: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2019. Lancet (London, England), 396(10267), 2006–2017. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)32340-0
4. Reinkensmeyer, D. J., & Dietz, V. (Eds.). (2016). Neurorehabilitation technology (Vol. 106). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-319-28603-7
5. Marchal-Crespo, L., & Reinkensmeyer, D. J. (2009). Review of control strategies for robotic movement training after neurologic injury. Journal of neuroengineering and rehabilitation, 6, 20. https://doi.org/10.1186/1743-0003-6-20
6. Esquenazi, A., Talaty, M., Packel, A., & Saulino, M. (2012). The ReWalk powered exoskeleton to restore ambulatory function to individuals with thoracic-level motor-complete spinal cord injury. American journal of physical medicine & rehabilitation, 91(11), 911–921. https://doi.org/10.1097/PHM.0b013e318269d9a3
7. Louie, D. R., & Eng, J. J. (2016). Powered robotic exoskeletons in post-stroke rehabilitation of gait: a scoping review. Journal of neuroengineering and rehabilitation, 13(1), 53. https://doi.org/10.1186/s12984-016-0162-5
8. Molteni, F., Gasperini, G., Cannaviello, G., & Guanziroli, E. (2018). Exoskeleton and End-Effector Robots for Upper and Lower Limbs Rehabilitation: Narrative Review. PM & R : the journal of injury, function, and rehabilitation, 10(9 Suppl 2), S174–S188. https://doi.org/10.1016/j.pmrj.2018.06.005
9. Contreras-Vidal, J. L., A Bhagat, N., Brantley, J., Cruz-Garza, J. G., He, Y., Manley, Q., Nakagome, S., Nathan, K., Tan, S. H., Zhu, F., & Pons, J. L. (2016). Powered exoskeletons for bipedal locomotion after spinal cord injury. Journal of neural engineering, 13(3), 031001. https://doi.org/10.1088/1741-2560/13/3/031001
10. Sarkisian, S. V., Ishmael, M. K., & Lenzi, T. (2021). Self-Aligning Mechanism Improves Comfort and Performance With a Powered Knee Exoskeleton. IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering : a publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 29, 629–640. https://doi.org/10.1109/TNSRE.2021.3064463
11. Wang, Q., Yang, L., Song, Z., Xu, G., & Liu, H. (2018). Comfort-centered design of lightweight backdrivable knee exoskeleton. IEEE Robotics and Automation Letters, 3(2), 289–304. https://doi.org/10.1109/LRA.2018.2864352
12. Gautam, S. M., Singla, E., & Singla, A. (2024). Modelling, design optimization and prototype development of knee exoskeleton [Preprint]. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.02635
13. Pacheco-Chérrez, J., Tudon-Martinez, J. C., & Lozoya-Santos, J. D. J. (2025). Recent advances in pediatric wearable lower-limb exoskeletons for gait rehabilitation: A systematic review. IEEE Access. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2025.3552757
14. Yang, H. D., Cooper, M., Eckert-Erdheim, A., Orzel, D., & Walsh, C. J. (2022). A soft exosuit assisting hip abduction for knee adduction moment reduction during walking. IEEE Robotics and Automation Letters, 7(3), 7439-7446. https://doi.org/10.1109/LRA.2022.3182106
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
