Affordable Active Lower Limbs Exoskeleton for People with Paraplegia

Abstract

After a broad introduction to the medical and biomechanical background and detailed review of orthotic devices, two newly developed lower limbs exoskeletons for paraplegics are presented in this study. There was found out the main challenges of designing devices for paraplegic walking can be summarized into three groups, stability and comfort, high efficiency or low energy consumption, dimensions and weight. These all attributes have to be moreover considered and maintained during manufacturing of affordable device while setting a reasonable price of the final product. A new economical device for people with paraplegia which tackles all problems of the three groups is introduced in this work. The main idea of this device is based on HALO mechanism. HALO is a compact passive medial hip joint orthosis with contralateral hip and ankle linkage, which keeps the feet always parallel to the ground and assists swinging the leg. The medial hip joint is equipped with one actuator in the new design and the new active exoskeleton is called @halo. Due to this update, we can achieve more stable and smoother walking patterns with decreased energy consumption of the users, yet maintain its compact and lightweight features. It was proven by the results from preliminary experiments with able-bodied subjects during which the same device with and without actuator was evaluated. Waddling and excessive vertical elevation of the centre of gravity were decreased by 40% with significantly smaller standard deviations in case of the powered exoskeleton. There was 52% less energy spent by the user wearing @halo which was calculated from the vertical excursion difference. There was measured 38.5% bigger impulse in crutches while using passive orthosis, which produced bigger loads in upper extremities musculature. The inverse dynamics approach was chosen to calculate and investigate the loads applied to the upper extremities. The result of this calculation has proven that all main muscle groups are engaged more aggressively and indicate more energy consumption during passive walking. The new @halo device is the first powered exoskeleton for lower limbs with just one actuated degree of freedom for users with paraplegia.

První část práce je věnována obsáhlému úvodu do zdravotnické a biomechanické terminologie a detailnímu souhrnnému představení ortopedických pomůcek. Následně jsou představeny dva nově vyvinuté exoskelety aplikovatelné na dolní končetiny paraplegiků. Bylo zjištěno, že hlavní úskalí konstrukčního návrhu asistenčních zařízení pro paraplegiky lze shrnout do tří hlavních skupin, jako první je stabilita a komfort, druhá je vysoká účinnost a nízká energetická náročnost uživatele a do třetí lze zahrnout rozměry a hmotnost zařízení. Toto všechno je navíc podmíněno přijatelnou výslednou cenou produktu. Nový ekonomicky dostupný exoskelet pro paraplegiky, který řeší problematiku všech tří zmíněných skupin je představen v této práci. Hlavní myšlenka tohoto zařízení je postavena na mechanismu HALO ortézy. HALO je kompaktní pasivní ortéza s mediálním kyčelním kloubem umístěným uprostřed mezi dolními končetinami. Speciální mediální kyčelní kloub je kontralaterálně propojen s kotníkem soustavou ocelových lanek což zajištuje paralelní polohu chodidla se zemí v každém okamžiku chůze a navíc asistuje zhoupnutí končetiny. Tento mediální kyčelní kloub je redesignován a v novém provedení je vybaven jedním aktuátorem, nové řešení aktivního exoskeletu dostalo název @halo. Díky tomuto vylepšení lze dosáhnout stabilnější a plynulejší chůze s výrazně redukovanou energetickou náročností uživatele přičemž dochází k zachování nízké hmotnosti a kompaktnosti zařízení. Toto bylo dokázáno během předběžných experimentů se zdravými subjekty, během kterých byla testována aktivní chůze se zařízením vybaveným odnímatelnou pohonnou jednotkou a pasivní chůze se stejným zařízením bez této aktivní jednotky. Nadměrné naklánění se během chůze ze strany na stranu a nadměrná výchylka pohybu těžiště těla ve vertikálním směru byly sníženy o necelých 40% s velmi významně menšími standardními odchylkami v případě chůze s pohonem. Z rozdílu výchylky pohybu těžiště těla ve vertikální poloze bylo vypočítáno snížení energetické náročnosti uživatele o 52% při chůzi s aktivní konfiguraci @halo. Při pohybu s pasivní ortézou byl naměřen o 38,5% větší reakční silový impuls v berlích, což znamená nárůst zátěže pro svalový aparát horních končetin. Pro podrobné vyšetření zátěže ramenních kloubů byl aplikován model inverzní dynamiky. Výsledek tohoto výpočtu jednoznačně indikuje agresivnější a hlubší zapojení všech svalových skupin ramenního kloubu a tím vyšší spotřebu energie uživatelem během pasivní chůze. Nové asistenční zařízení @halo je prvním exoskeletem svého druhu pro paraplegiky s jediným poháněným stupněm volnosti.