Avancées dans la conception d'exosquelettes pour les genoux pour la mobilité

Les exosquelettes de genoux sont des dispositifs portables qui aident les gens à retrouver leur mobilité, surtout ceux qui font de la rééducation. Cet article examine comment un exosquelette de genou a été amélioré pour faciliter le passage de la position assise à la position debout. L'objectif est de rendre le mouvement plus simple pour les utilisateurs tout en garantissant leur sécurité.

#The Need for Improvement

Les exosquelettes de genoux actuels sont robustes et efficaces pour la rééducation. Cependant, beaucoup ont des limites sur l’amplitude de flexion du genou. C'est important car un bon Amplitude de mouvement (AOM) est nécessaire pour une réhabilitation efficace. Le but est de changer le design de l’exosquelette pour permettre un meilleur mouvement.

#Using Models to Improve Design

La première étape de ce processus a été de créer un modèle mathématique de l'exosquelette. Cela a impliqué de représenter le design avec des fonctions mathématiques. En faisant cela, ils ont pu identifier les meilleures dimensions pour l’exosquelette afin d'améliorer son amplitude de mouvement. Une attention particulière a été portée aux mesures des jambes humaines pour garantir que le design s'adapte bien.

#Testing the Design

Après avoir optimisé le design, un programme a été développé pour voir comment le nouvel exosquelette se compare à l'ancien. Un mannequin a été utilisé pour tester le design, et les résultats ont montré que la version optimisée offrait une bien plus grande amplitude de mouvement. Les chercheurs ont aussi créé un modèle en carton pour confirmer leurs résultats.

#Observing Real Movements

Pour comprendre à quel point le nouveau design fonctionne, les chercheurs ont capturé en vidéo une personne passant de la position assise à la position debout. À l'aide d'un logiciel spécial, ils ont comparé les mouvements des humains à ceux du modèle en carton. Ce processus les a aidés à identifier d'éventuels désalignements entre les articulations du genou humaine et l'exosquelette.

#Building a Prototype

Pour tester davantage le design, un prototype de l'exosquelette de genou a été construit. Ce prototype aidera à trouver et résoudre d'éventuels désalignements. Les tests futurs impliqueront également l'utilisation de capteurs pour obtenir des informations plus détaillées sur la performance de l'exosquelette pendant le mouvement.

#Importance of Design

Pour qu'un exosquelette soit sûr, il doit bien s'adapter à l'anatomie d'une personne. S'il ne s'aligne pas correctement avec les articulations humaines, cela pourrait causer des soucis. Donc, trouver le meilleur design est crucial. Il existe de nombreux Designs, mais ils se concentrent souvent sur des objectifs différents, ce qui rend l'obtention des meilleurs résultats complexe.

#Previous Research

De nombreux chercheurs ont exploré l'Optimisation des designs d'exosquelettes. Certaines études ont cherché à minimiser le poids et à maximiser le transfert de force. D'autres se sont concentrées sur la meilleure disposition des composants pour améliorer la performance. Une variété de techniques a été utilisée pour atteindre ces objectifs, mais de nombreux designs n'ont pas encore abordé les exosquelettes de genou avec des méthodes spécifiques.

#The New Approach

Ce travail propose une nouvelle méthode pour améliorer les exosquelettes de genou en utilisant une technique d'optimisation appelée Méthode du Point Intérieur. Cette méthode permet d'examiner le design en détail pour atteindre une amplitude de mouvement maximale lors du passage de la position assise à debout.

#The Existing Design

Le design actuel inclut un mécanisme à quatre barres entraîné par un moteur linéaire. Ce mécanisme permet un mouvement similaire à celui de l'articulation du genou humain. L'objectif est de créer un design qui peut s'ajuster pour différents utilisateurs. Le design garantit également qu'il est facile à porter et à utiliser.

#The Kinematic Model

L'exosquelette fonctionne grâce à un mécanisme à quatre barres. Cette configuration implique quatre liens reliés par des articulations, ce qui permet le mouvement. L'idée principale est de s'assurer que lorsque le moteur est activé, les liens travaillent ensemble pour imiter un mouvement de marche naturel.

#Design Optimization Process

L'angle de l'articulation du genou est contrôlé par l'actionneur linéaire, qui a une longueur de course fixe. Le processus d'optimisation examine plusieurs variables de design qui influencent l'amplitude de mouvement. L'objectif est de maximiser les capacités de mouvement tout en gardant tout sûr et fonctionnel.

#Setting Limits

Des limites doivent être fixées durant le processus de design. Par exemple, l'articulation du genou ne peut se plier qu'à un certain angle. À un moment donné, plier trop loin pourrait causer des problèmes dans le mécanisme. En définissant ces limites, les concepteurs peuvent empêcher l'exosquelette de devenir trop rigide ou de perdre sa fonction.

#Optimizing Dimensions

L'optimisation des dimensions de l'exosquelette est cruciale. Cela signifie ajuster les longueurs des composants pour maximiser le mouvement. La Méthode du Point Intérieur aide à gérer des problèmes complexes et des contraintes avec de nombreuses variables, permettant un design bien optimisé.

#Simulation Results

Pour voir à quel point le design fonctionne, des simulations ont été effectuées. Ces simulations ont montré comment l'exosquelette a performé avec différentes longueurs de course et angles. Les résultats ont démontré que le design optimisé offrait beaucoup plus de mouvement que les versions précédentes.

#Validating the Design

Pour vérifier si le design fonctionne bien, d'autres tests de simulation ont été effectués avec un mannequin basé sur une personne moyenne. Les résultats ont suggéré que le nouvel exosquelette pouvait atteindre une plus grande amplitude de mouvement, confirmant que l'optimisation a été réussie.

#Analyzing Movements

L'analyse de la démarche, ou l'étude de la façon dont les gens marchent, a également été essentielle pour ce projet. Cela a aidé à identifier d'éventuels schémas de mouvement inhabituels et a permis des ajustements dans le design. S'assurer que l'exosquelette n'impose pas de contraintes non naturelles aux utilisateurs est crucial pour leur sécurité et leur confort.

#Practical Tests

L'efficacité de l'exosquelette a été testée en faisant exécuter à un sujet des mouvements de passage de la position assise à debout tout en étant enregistré. Les données ont fourni des informations sur la façon dont l'exosquelette correspond aux mouvements naturels d'une articulation du genou humaine.

#Addressing Misalignments

Lors de la comparaison des mouvements, les chercheurs ont cherché des désalignements entre l'articulation du genou humain et celle de l'exosquelette. Minimiser ces désalignements assure une meilleure fonction et un meilleur confort lors de l'utilisation de l'appareil.

#Building the Prototype

Un prototype fonctionnel de l'exosquelette de genou a été créé en utilisant des composants comme un microcontrôleur et des pilotes de moteur. Ce prototype a permis de tester le mouvement de l'appareil et de le comparer avec les simulations réalisées précédemment.

#Testing the Prototype

Une fois assemblé, le prototype a subi des tests pour vérifier sa performance. Il visait à atteindre le même angle et mouvement que ceux montrés dans les simulations. Les tests ont confirmé que le prototype fonctionnait bien, s'alignant avec les résultats attendus des simulations.

#Conclusion and Future Work

Le design mécanique de l'exosquelette de genou a été optimisé pour une meilleure amplitude de mouvement lors des transitions assise-debout. La technique d'optimisation utilisée a montré des résultats prometteurs, et les découvertes suggèrent que les exosquelettes peuvent être encore améliorés. Les travaux futurs incluront des tests avec de vrais utilisateurs et des capteurs supplémentaires pour recueillir plus de données sur la performance et le confort. Ces avancées contribueront en fin de compte à rendre la réhabilitation plus facile et plus efficace pour ceux qui en ont besoin.