Design and Development of a Quasi-Passive Transtibial Biarticular Prosthesis to Replicate Gastrocnemius Function in Walking.
Design and Development of a Quasi-Passive Transtibial Biarticular Prosthesis to Replicate Gastrocnemius Function in Walking.
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设计和开发准被动跨胫双关节假体，以复制行走中的腓肠肌功能。
DOI：
10.1115/1.4045879
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发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Aubin,PatrickM
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Willson,AndreaM;Richburg,ChrisA;Czerniecki,Joseph;Steele,KatherineM;Aubin,PatrickM
下肢截肢者经历许多步态障碍和限制。其中一些损伤可归因于缺乏功能性双关节腓肠肌（GAS）肌肉。我们提出了一种经胫骨假体，实现了准被动弹簧机制复制GAS功能。设计、制造了一种原型双关节假体（BP），并在一名经胫骨截肢的受试者身上进行了测试。他们在三种不同的双关节弹簧刚度条件下在带有运动捕获的仪器跑步机上行走。使用定制开发的OpenSim肌肉骨骼模型（包括BP）计算BP弹簧在膝关节和踝关节上所做的功和施加的扭矩。BP的功能与预期的一样，产生的力量与GAS的时间相似。功从脚踝转移到膝盖，更硬的弹簧传递更多的能量。BP的准无源设计主要由运动学驱动，功耗非常低（平均5.15 W），可以很好地适用于未来的轻量化、低功耗设计。
Lower-limb amputees experience many gait impairments and limitations. Some of these impairments can be attributed to the lack of a functioning biarticular gastrocnemius (GAS) muscle. We propose a transtibial prosthesis that implements a quasi-passive spring mechanism to replicate GAS function. A prototype biarticular prosthesis (BP) was designed, built, and tested on one subject with a transtibial amputation. They walked on an instrumented treadmill with motion capture under three different biarticular spring stiffness conditions. A custom-developed OpenSim musculoskeletal model, which included the BP, was used to calculate the work performed and torque applied by the BP spring on the knee and ankle joints. The BP functioned as expected, generating forces with similar timing to GAS. Work transfer occurred from the ankle to the knee, with stiffer springs transferring more energy. Driven mostly by kinematics, the quasi-passive design of the BP consumed very low power (5.15 W average) and could lend itself well to future lightweight, low-power designs.
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