Simulation of Stand-to-Sit Biomechanics for Design of Lower-Limb Exoskeletons and Prostheses with Energy Regeneration
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Although regenerative actuators can extend the operating durations of robotic lower-limb exoskeletons and prostheses, these energy-efficient powertrains have been exclusively designed and evaluated for continuous level-ground walking. Objective Here we analyzed the lower-limb joint mechanical power during stand-to-sit movements using inverse dynamic simulations to estimate the biomechanical energy available for electrical regeneration. Methods Nine subjects performed 20 sitting and standing movements while lower-limb kinematics and ground reaction forces were measured. Subject-specific body segment parameters were estimated using parameter identification, whereby differences in ground reaction forces and moments between the experimental measurements and inverse dynamic simulations were minimized. Joint mechanical power was calculated from net joint torques and rotational velocities and numerically integrated over time to determine joint biomechanical energy. Results The hip produced the largest peak negative mechanical power (1.8 ± 0.5 W/kg), followed by the knee (0.8 ± 0.3 W/kg) and ankle (0.2 ± 0.1 W/kg). Negative mechanical work from the hip, knee, and ankle joints per stand-to-sit movement were 0.35 ± 0.06 J/kg, 0.15 ± 0.08 J/kg, and 0.02 ± 0.01 J/kg, respectively. Conclusion and Significance Assuming an 80-kg person and previously published regenerative actuator efficiencies (i.e., maximum 63%), robotic lower-limb exoskeletons and prostheses could theoretically regenerate ~26 Joules of total electrical energy while sitting down, compared to ~19 Joules per walking stride. Given that these regeneration performance calculations are based on healthy young adults, future research should include seniors and/or rehabilitation patients to better estimate the biomechanical energy available for electrical regeneration among individuals with mobility impairments.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».