KOLENNÍ EXOSKELETON PRO STABILIZACI CHŮZE A REHABILITAČNÍ ÚČELY

Bc. Pavla LISNEROVÁ

Diplomová práce

Knee exoskeleton for gait stabilization and rehabilitation purposes

Anotace:

Tato diplomová práce se zaměřuje na návrh a experimentální ověření kolenního exoskeletonu určeného pro stabilizaci chůze a rehabilitační účely. Vzhledem k rostoucímu počtu pacientů s kolenními problémy, jako je poranění vazů, které doprovází vrcholové sportovce i starší populaci, je nezbytné vyvinout efektivní rehabilitační pomůcky, které usnadní jejich návrat k běžným aktivitám a zlepší kvalitu života. V práci je popsána složitost kolenního kloubu z biomechanického hlediska, ať už se jedná o kinematiku, statiku nebo dynamiku. Následuje průzkum trhu nositelných zařízení a studií dosavadních konstrukčních řešení s rozdílnou technologií ovládání. Kvůli značné tuhosti současných konvenčních exoskeletonů tato práce vychází z nových požadavků týkajících se pohodlného nošení, splynutí s nositelem a dalších ergonomických aspektů. Inspirací se stal nedávný výzkum pneumatické soft robotiky zaměřený na nositelné aplikace. Postupnými kroky k dosažení hlavního cíle bude navržení senzorické a akční části celé nositelné jednotky s ohledem na funkčnost a ergonomii. Zařízení snímá pohyby kolena a vyhodnocuje rizikové stavy a kritické situace vedoucí ke kolenní nestabilitě. Součástí praktické části je vybrat vhodnou metodu měření kolenního kloubu a zvolenou variantu otestovat. Klíčovou součástí exoskeletonu jsou pneumatické aktuátory, které včasně zareagují a umožní nastavit tuhost zařízení a tím zajistí potřebnou stabilizaci kolenního kloubu při různých úhlech ohybu. V rámci experimentů je provedeno několik měření, která mají za cíl analyzovat mechanické vlastnosti použitého materiálu pro pneumatické aktuátory a jeho chování při aplikaci různých tlaků. Experimentálním měřením je ukázáno, že navržené aktuátory jsou schopny efektivně stabilizovat koleno a bude představena výsledná konfigurace. Závěrem práce jsou zhodnoceny výsledky a je nastíněno několik možných kroků dalšího vývoje a zkoumání.

Abstract:

This thesis focuses on the design and experimental verification of an exoskeleton intended for gait stabilization and rehabilitation purposes. Due to the increasing number of patients with knee problems, such as ligament injuries, which accompany elite athletes and the elderly population, it is necessary to develop effective rehabilitation aids that facilitate their return to normal activities and improve their quality of life. The thesis describes the complexity of the knee joint from a biomechanical point of view, whether it is kinematics, statics or dynamics. This is followed by a market survey of wearable devices and studies of current design solutions with different control technologies. Due to the significant stiffness of current conventional exoskeletons, this work is based on new requirements regarding comfortable wear, fusion with the wearer and other ergonomic aspects. The inspiration was recent research in pneumatic soft robotics focused on wearable applications. In successive steps to achieve the main goal, the sensory and action parts of the entire wearable unit will be designed with regard to functionality and ergonomics. The device will sense knee movements and evaluate risk conditions and critical situations leading to knee instability. Part of the practical part will be choosing a suitable method of measuring the knee joint and testing the chosen option. A key part of the exoskeleton are pneumatic actuators, which react in time and allow the stiffness of the device to be adjusted, thereby ensuring the necessary stabilization of the knee joint at different bending angles. As part of the experiments, several measurements will be made with the aim of analyzing the mechanical properties of the material used for pneumatic actuators and its behavior when applying different pressures. Experimental measurements show that the designed actuators are able to effectively stabilize the knee and the resulting configuration will be presented. At the end of the work, the results are evaluated and several possible steps for further development and research are outlined.

Klíčová slova

Kolenní exoskeleton, stabilizace kolenního kloubu, soft robotika, pneumatický aktuátor, hyperelasticita, silikon, Arduino

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 23. 5. 2024

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Ing. Roman Čermák, Ph.D.

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta strojní

Magisterský studijní program / obor:
Konstruování strojů a technických zařízení / Konstruování zdravotnické a kooperativní techniky