エネルギー再生を伴う電気機械的トランスフェモラの補綴の最適な設計と制御

このホワイトペーパーでは、エネルギー貯蔵と再生を備えた膝膝上の活動性プロテーゼの設計を紹介します。このシステムは、ギア付きの膝と足首モーター、各モーターの平行スプリング、ウルトラカパシタ、および制御可能な4四つ下脈コンバーターで構成されています。目標は、最適な制御と設計パラメーターを見つけることにより、システムのパフォーマンスを最大化することです。システムダイナミクスのモデルが開発され、軌道と設計の最適化の問題を組み合わせて解決するために使用されました。最適化の目的は、エネルギー使用と同様に、人間の関節運動と比較した追跡エラーを最小限に抑えることでした。最適化の問題は、3つの速度で歩く10人の被験者からの関節トルクと関節角データに基づいて、直接的なコロケーションの方法によって解決されました。コントロールと設計パラメーターの最適化の後、シミュレートされたシステムはゼロエネルギーコストで動作しながら、存在する可能性のある歩行を密接にエミュレートすることができます。これは、膝と足首の間の制御されたエネルギー移動、および歩行サイクル全体のエネルギーの制御された貯蔵と放出によって達成されました。最適なギア比とスプリングパラメーターは、被験者と歩行速度で類似していました。

In this paper, we present the design of an electromechanical above-knee active prosthesis with energy storage and regeneration. The system consists of geared knee and ankle motors, parallel springs for each motor, an ultracapacitor, and controllable four-quadrant power converters. The goal is to maximize the performance of the system by finding optimal controls and design parameters. A model of the system dynamics was developed, and used to solve a combined trajectory and design optimization problem. The objectives of the optimization were to minimize tracking error relative to human joint motions, as well as energy use. The optimization problem was solved by the method of direct collocation, based on joint torque and joint angle data from ten subjects walking at three speeds. After optimization of controls and design parameters, the simulated system could operate at zero energy cost while still closely emulating able-bodied gait. This was achieved by controlled energy transfer between knee and ankle, and by controlled storage and release of energy throughout the gait cycle. Optimal gear ratios and spring parameters were similar across subjects and walking speeds.