Proceedings of the ASME 2009 Intern

Proceedings of the ASME 2009 International Design Engineering Technical Conferences &
Computers and Information in Engineering Conference IDETC/CIE 2009
August 30- September 2, 2009, San Diego, California, USA

DETC2009-86516
OPTIMIZATION AND DESIGN OF A CABLE DRIVEN UPPER ARM EXOSKELETON
ABSTRACT
This paper presents the design of a wearable upper arm
exoskeleton that can be used to assist and train arm movements
of stroke survivors or subjects with weak musculature. In the
last ten years, a number of upper-arm training devices have
emerged. However, due to their size and weight, their use is
restricted to clinics and research laboratories. Our proposed
wearable exoskeleton builds upon our extensive research
experience in wire driven manipulators and design of
rehabilitative systems. The exoskeleton consists of three main
parts: (i) an inverted U-shaped cuff that rests on the shoulder,
(ii) a cuff on the upper arm, and (iii) a cuff on the forearm. Six
motors, mounted on the shoulder cuff, drive the cuffs on the
upper arm and forearm, using cables. In order to assess the
performance of this exoskeleton, prior to use on humans, a
laboratory test-bed has been developed where this exoskeleton
is mounted on a model skeleton, instrumented with sensors to
measure joint angles and transmitted forces to the shoulder.
This paper describes design details of the exoskeleton and
addresses the key issue of parameter optimization to achieve
useful workspace based on kinematic and kinetic models.
Keywords: Arm Exoskeleton, Cable Driven, Rehabilitative
Device, Optimization, Orthotic systems
INTRODUCTION
A vast number of people are affected by arm conditions due to
degeneration of muscles that result in profound muscle
weakness or impaired motor control such as, people suffering
from muscular diseases like Spinal Muscular Atrophy (SMA),
Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) and Limb Girdle. They
have problems in lifting the arms against gravity [1].
Consequently, they are not able to perform various activities of
daily living (ADL) independently. External mechanical support
can provide assistance to movement of the arm when adequate
motor control is lacking, this would greatly improve the
handling capability in people with functional deficits. However,
none of the existing exoskeleton designs have the potential to
be lightweight and easy to be worn continuously. Some wellknown
designs to evaluate and treat upper extremity functions
for post-stroke rehabilitation of patients employing robotic
technology are ARM [2], MIME [3] and MIT-MANUS [4].
However, none of these were meant to be portable support
devices. Since then, there has been continuous surge of interest
in developing upper limb exoskeleton for training and
assistance. In the recent years, new developments of such
devices are keenly pursued. A 7-dof powered exoskeleton was
developed as a therapeutic and diagnostics device for human
power amplifications [5]. However, this device has a rigid
mechanical structure which can only lend itself for training
purposes. Wearability and continuous use as a support device is
not possible; most existing/recent exoskeletons fall under this
category [6-9]. To make exoskeletons lighter and wearable,
some clever designs are reported with cable based systems,
however, the final system still appeared to be bulky with
actuators and controllers [10, 11]; other designs were limited to
modeling and simulation [12, 13].
The challenging problems in exoskeleton design are of weight,
power, size and functionality to be achieved without overburdening
either the components or the user. Existing electric
powered elbows can attain about 12.2 Nm of lift by the elbow’s
own motor mechanism at speeds of about 2 rad/s [14],
however, if such devices are to be externally powered then it
should be able to run for a whole day from the same power
source without needing to be replaced or recharged and should
Sunil K. Agrawal1
, Venketesh N. Dubey2
, John J. Gangloff Jr.1
, Elizabeth Brackbill1
and Vivek Sangwan1
1Mechanical Systems Laboratory, Department of Mechanical Engineering, University of Delaware, Newark, DE, 19716, USA
2
School of Design, Engineering and Computing, Bournemouth University, Fern Barrow, Poole, BH12 5BB, UK

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

ดำเนินการประชุมเทคนิค ASME 2009 การออกแบบนานาชาติวิศวกรรมและคอมพิวเตอร์และข้อมูลในการประชุมวิศวกรรม IDETC/CIE 200930 สิงหาคม - 2 กันยายน 2009, San Diego แคลิฟอร์เนีย สหรัฐDETC2009-86516เพิ่มประสิทธิภาพและการออกแบบเป็นสายขับเคลื่อนแขนโครงกระดูกภายนอกบทคัดย่อเอกสารนี้นำเสนอการออกแบบของแขนสวมใส่โครงกระดูกภายนอกที่สามารถใช้เพื่อช่วยเหลือ และฝึกการเคลื่อนไหวแขนสมองหรือวัตถุที่ มีกล้ามเนื้ออ่อน ในมีจำนวนของอุปกรณ์บนแขนฝึก 10 ปีโผล่ออกมา อย่างไรก็ตาม เนื่องจากขนาดและน้ำหนัก การใช้เป็นจำกัดการคลินิกและห้องปฏิบัติการวิจัย เรานำเสนอโครงกระดูกภายนอกสวมใส่สร้างเมื่อวิจัยของเราประสบการณ์ในการขับเคลื่อนแขนและการออกแบบลวดระบบ rehabilitative โครงกระดูกภายนอกประกอบด้วย 3 หลักส่วนประกอบ: (i) มีการแบ่งรูปตัวยูข้อมือที่วางอยู่บนไหล่(ii) วางแขน และ (iii) ข้อมือบนแขน หกมอเตอร์ ติดตั้งอยู่บนข้อมือไหล่ ผ้าพันแขนขับในการแขนบนและแขน ใช้สาย เพื่อประเมินการประสิทธิภาพของนี้โครงกระดูกภายนอก ก่อนที่จะใช้ในมนุษย์ การห้องปฏิบัติการทดสอบเตียงได้รับการพัฒนาที่โครงกระดูกภายนอกนี้ถูกติดตั้งบนโครงกระดูกจำลอง instrumented กับเซ็นเซอร์ในการวัดมุมร่วม และส่งกองกำลังไปถึงหัวไหล่เอกสารนี้อธิบายรายละเอียดของโครงกระดูกภายนอก และเน้นปัญหาสำคัญของการเพิ่มประสิทธิภาพของพารามิเตอร์ได้ตามรูปแบบจลน์ และเคลื่อนไหวที่พื้นที่ทำงานที่เป็นประโยชน์คำสำคัญ: แขนโครงกระดูกภายนอก สายควบคุม Rehabilitativeอุปกรณ์ เพิ่มประสิทธิภาพ ระบบเพื่อแนะนำคนจำนวนมากได้รับผลกระทบจากแขนการการเสื่อมสภาพของกล้ามเนื้อที่ทำให้กล้ามเนื้อลึกซึ้งอ่อนหรือบกพร่องด้านการควบคุมมอเตอร์เช่น ผู้ที่ทุกข์ทรมานจากโรคกล้ามเนื้อเช่นกระดูกสันหลังกล้ามเนื้อฝ่อ (SMA),โรคกล้ามเนื้อ Dystrophy (ฝ่าย) และผ้าคาดเอวขา พวกเขามีปัญหาในการยกแขนกับแรงโน้มถ่วง [1]ดังนั้น พวกเขาจะไม่สามารถทำกิจกรรมต่าง ๆ ของประจำวัน (ADL) การใช้ชีวิตอย่างอิสระ สนับสนุนเครื่องจักรกลจากภายนอกสามารถให้ความช่วยเหลือการเคลื่อนไหวของแขนเมื่อเพียงพอขาดการควบคุมมอเตอร์ นี้จะปรับปรุงการการจัดการในคนทำงานขาดดุล อย่างไรก็ตามไม่มีโครงกระดูกภายนอกการออกแบบที่มีอยู่ได้มีน้ำหนักเบา และง่ายต่อการสวมใส่อย่างต่อเนื่อง บางอุดรธานีออกแบบการประเมิน และรักษาฟังก์ชันกเรสำหรับจังหวะหลังการฟื้นฟูสมรรถภาพของผู้ป่วยที่ใช้หุ่นยนต์เทคโนโลยีมีแขน [2], [3] MIME และ MIT-มนัส [4]อย่างไรก็ตาม เหล่านี้ไม่ได้หมายความว่า จะ สนับสนุนแบบพกพาอุปกรณ์ หลังจากนั้น มีการกระชากต่อเนื่องน่าสนใจในการพัฒนาโครงกระดูกภายนอกรยางค์บนสำหรับการฝึกอบรม และความช่วยเหลือ ในปีที่ผ่านมา พัฒนาใหม่ดังกล่าวอย่างดีที่สุดจะติดตามอุปกรณ์ โครงกระดูกภายนอก 7-กรมพลังงานถูกพัฒนาเป็นอุปกรณ์ในการรักษาและวินิจฉัยสำหรับมนุษย์ไฟ amplifications [5] อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์นี้มีความแข็งโครงสร้างเชิงกลซึ่งสามารถยืมเท่านั้นเองสำหรับการฝึกอบรมวัตถุประสงค์ Wearability และใช้เป็นเครื่องสนับสนุนไม่ได้ ส่วนใหญ่ที่มีอยู่/ล่า exoskeletons ตกอยู่ภายใต้นี้ประเภท [6-9] ให้ exoskeletons เบา และสวมใส่ ได้การออกแบบที่ฉลาดบางรายงานกับระบบใช้สายอย่างไรก็ตาม ระบบขั้นสุดท้ายยังคงดูเหมือนจะใหญ่ด้วยactuators และควบคุม [10, 11]; การออกแบบอื่น ๆ ที่จำกัดสร้างแบบจำลองและการจำลอง [12, 13]ปัญหาท้าทายในการออกแบบโครงกระดูกภายนอกมีน้ำหนักพลังงาน ขนาด และฟังก์ชันให้ท้นเข้าไปคอมโพเนนต์หรือผู้ใช้ ไฟฟ้าที่มีอยู่ข้อศอกขับเคลื่อนสามารถบรรลุประมาณ 12.2 Nm ของลิฟท์โดยของข้อศอกกลไกมอเตอร์เองที่ความเร็วประมาณ 2 rad/s [14],อย่างไรก็ตาม ถ้าอุปกรณ์ดังกล่าวจะได้รับจากภายนอก ขับเคลื่อนแล้วมันควรจะสามารถเรียกใช้ทั้งวันจากเครื่องเดียวกันแหล่งที่มาโดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยน หรือชาร์จใหม่ และควรAgrawal1 k. Sunil, Venketesh N. Dubey2, John J. Gangloff Jr.1, Elizabeth Brackbill1 และ Vivek Sangwan11Mechanical ระบบปฏิบัติการ วิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเดลาแวร์ Newark, DE, 19716 สหรัฐอเมริกา2โรงเรียนการออกแบบ วิศวกรรม และ คอมพิวเตอร์ บอร์นมัธมหาวิทยาลัย เฟิร์นแบร์โรว Poole, BH12 5BB, UK

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

การดำเนินการของ ASME 2009 ออกแบบนานาชาติประชุมทางวิชาการและวิศวกรรม
คอมพิวเตอร์และข้อมูลในสาขาวิชาวิศวกรรมการประชุม IDETC / CIE 2009
สิงหาคม 30 2 กันยายน 2009, San Diego, California, USA DETC2009-86516 เพิ่มประสิทธิภาพและการออกแบบของสายเคเบิล DRIVEN UPPER ARM รพบทคัดย่อนี้ กระดาษนำเสนอการออกแบบของแขนสวมใส่รพที่สามารถใช้ในการให้ความช่วยเหลือและฝึกการเคลื่อนไหวแขนของผู้รอดชีวิตจากโรคหลอดเลือดสมองหรือวิชาที่มีกล้ามเนื้ออ่อนแอ ในช่วงสิบปีที่ผ่านมาจำนวนของอุปกรณ์การฝึกอบรมบนแขนได้โผล่ออกมา แต่เนื่องจากขนาดและน้ำหนักของพวกเขาใช้ของพวกเขาจะถูกจำกัด ให้คลินิกและห้องปฏิบัติการวิจัย เราเสนอรพสวมใส่สร้างเมื่อการวิจัยที่กว้างขวางของเรามีประสบการณ์ในการปั่นลวดขับเคลื่อนและการออกแบบระบบการฟื้นฟู รพประกอบด้วยสามหลักชิ้นส่วน: (i) ฤๅษีข้อมือรูปตัวยูที่วางอยู่บนไหล่(ii) ข้อมือบนแขนและ (iii) ข้อมือบนแขน หกมอเตอร์, ติดตั้งอยู่บนข้อมือไหล่แขนเสื้อขับรถบนแขนและแขนโดยใช้สายเคเบิ้ล เพื่อประเมินประสิทธิภาพการทำงานของรพนี้ก่อนที่จะใช้กับมนุษย์เป็นห้องปฏิบัติการทดสอบเตียงได้รับการพัฒนาที่รพนี้ติดตั้งบนโครงกระดูกรุ่น instrumented กับเซ็นเซอร์วัดมุมร่วมกันและกองกำลังที่ส่งไปยังไหล่. กระดาษนี้ อธิบายรายละเอียดการออกแบบของรพและที่อยู่ในปัญหาสำคัญของการเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์เพื่อให้บรรลุพื้นที่ทำงานที่มีประโยชน์ตามรูปแบบจลนศาสตร์และการเคลื่อนไหว. คำสำคัญ: แขน Exoskeleton, เคเบิ้ลขับเคลื่อนฟื้นฟูอุปกรณ์, การเพิ่มประสิทธิภาพระบบ Orthotic บทนำจำนวนมากมายของผู้คนได้รับผลกระทบจากแขน เงื่อนไขเนื่องจากการเสื่อมสภาพของกล้ามเนื้อซึ่งส่งผลให้กล้ามเนื้อลึกซึ้งอ่อนแอหรือการควบคุมมอเตอร์บกพร่องเช่นคนที่ทุกข์ทรมานจากโรคกล้ามเนื้อเช่นกล้ามเนื้อลีบ (SMA) Duchenne กล้ามเนื้อเสื่อม (DMD) และแขนขาเปรี้ยว พวกเขามีปัญหาในการยกแขนต้านแรงโน้มถ่วง [1]. ดังนั้นพวกเขาไม่สามารถที่จะดำเนินกิจกรรมต่างๆของชีวิตประจำวัน (ADL) อย่างอิสระ การสนับสนุนเครื่องจักรกลภายนอกสามารถให้ความช่วยเหลือกับการเคลื่อนไหวของแขนเมื่อเพียงพอควบคุมมอเตอร์ขาดนี้มากจะปรับปรุงความสามารถในการจัดการในคนที่มีการขาดดุลการทำงาน อย่างไรก็ตามไม่มีการออกแบบที่รพที่มีอยู่มีศักยภาพที่จะมีน้ำหนักเบาและง่ายต่อการสวมใส่อย่างต่อเนื่อง บางคนที่รู้จักการออกแบบการประเมินและรักษาฟังก์ชั่นแขนสำหรับการฟื้นฟูหลังโรคหลอดเลือดสมองของผู้ป่วยจ้างหุ่นยนต์เทคโนโลยี ARM [2], MIME [3] และ MIT-มนัส [4]. แต่ไม่มีของเหล่านี้มีความหมายที่จะสนับสนุนแบบพกพาอุปกรณ์ . ตั้งแต่นั้นมาได้มีการกระชากอย่างต่อเนื่องของความสนใจในการพัฒนารพแขนสำหรับการฝึกอบรมและให้ความช่วยเหลือ ในปีที่ผ่านมาการพัฒนาใหม่ ๆ เช่นอุปกรณ์ติดตามอย่างดีที่สุด 7-DOF รพขับเคลื่อนการพัฒนาเป็นอุปกรณ์การรักษาและการวินิจฉัยโรคสำหรับมนุษย์เครื่องขยายเสียง [5] อย่างไรก็ตามอุปกรณ์นี้มีแข็งโครงสร้างทางกลที่สามารถให้ยืมตัวสำหรับการฝึกอบรมวัตถุประสงค์ wearability และการใช้งานอย่างต่อเนื่องเป็นอุปกรณ์การสนับสนุนเป็นไปไม่ได้ที่; ส่วนใหญ่ที่มีอยู่ / เปลือกที่ผ่านมาตกอยู่ภายใต้นี้หมวดหมู่ [6-9] ที่จะทำให้เปลือกเบาและสวมใส่บางลายฉลาดจะมีการรายงานที่มีตามระบบเคเบิลอย่างไรก็ตามระบบครั้งสุดท้ายยังคงดูเหมือนจะเป็นขนาดใหญ่ที่มีตัวกระตุ้นและตัวควบคุม [10, 11]; การออกแบบอื่น ๆ ถูก จำกัด ให้การสร้างแบบจำลองและการจำลอง [12, 13]. ปัญหาที่ท้าทายในการออกแบบรพมีน้ำหนักพลังงานขนาดและฟังก์ชันการทำงานที่ทำได้โดยไม่ต้องบรรทุกหนักเกินไปทั้งส่วนประกอบหรือผู้ใช้ ที่มีอยู่ไฟฟ้าขับเคลื่อนข้อศอกสามารถบรรลุประมาณ 12.2 นิวตันเมตรของลิฟท์โดยข้อศอกของกลไกมอเตอร์ตัวเองด้วยความเร็วประมาณ 2 RAD / S [14], แต่ถ้าอุปกรณ์ดังกล่าวจะได้รับการขับเคลื่อนจากภายนอกแล้วมันควรจะสามารถทำงานได้ทั้งวัน จากอำนาจเดียวกันแหล่งที่มาโดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนหรือชาร์จและควรนิลเค Agrawal1 , Venketesh เอ็น Dubey2 , จอห์นเจ Gangloff Jr.1 ลิซาเบ ธ Brackbill1 และวิเวก Sangwan1 1Mechanical ระบบห้องปฏิบัติการภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลมหาวิทยาลัยเดลาแวร์ นวร์ก, DE, 19716, USA 2 โรงเรียนสอนการออกแบบวิศวกรรมและคอมพิวเตอร์มหาวิทยาลัย Bournemouth, เฟิร์นสาลี่พูล BH12 5BB, สหราชอาณาจักร