Design of a knee orthosis locking system

Abstract

The main goal of this work was to design a mechatronic locking system for a Stance Control Knee Ankle Foot Orthosis (SCKAFO). This mechanism should be able to perform two different functions. The first one is to lock the orthosis during the stance phase of human gait, in which contact between the foot and the ground exists. The second function deals with the unlock of the orthosis during the swing phase, in which there is no contact between the foot and the ground, allowing the flexion of the knee. Biomechanics of human gait play an important role in the mechanical design of the locking system, since the motion characteristics associated with pathological and nonpathological exhibit different behaviors. Thus experimental gait studies was considered for pathological and non-pathological, in order to analyze the kinematic properties(joint angles and trajectories) and kinetic (ground reaction forces, joint forces and moments) of the human gait. In the context of the present work sensors were used to detect the key points that characterize the human gait, allowing for the correct mechanism performance. These sensors are placed in anatomical relevant locations and calculate, not only the joint angles, but also the angular acceleration. The data read by these sensors is interpreted by a microcontroller that controls the actuation system in order to lock or unlock the mechanism. An innovative solution is presented here, which differs from the currently available solutions or in the scientific literature. The new approach is able to work without foot sensors and cables used with the purpose to lock/unlock the orthosis. With this approach it is expected that the locking/unlocking operation will be effective, safe and quick for the user.

O objetivo principal deste projeto foi desenvolver um sistema mecatrónico para ortóteses do tipo Stance Control Knee Ankle Foot Orthosis (SCKAFO). Este mecanismo permite realizar duas funções distintas. A primeira consiste no bloqueio da ortótese durante a fase de apoio da marcha humana, onde se verifica contacto entre o pé e o solo. A segunda função incide no desbloqueio da ortótese durante a fase de balanço da marcha humana, onde não se verifica contacto entre o pé e o solo, permitindo a flexão do joelho. Os conceitos biomecânicos da marcha humana assumem uma elevada importância no projeto mecânico deste mecanismo, uma vez que as características associadas à marcha natural e patológica demonstram comportamentos distintos. Por isso serão consideradas análises experimentais, com o objetivo de caracterizar cinematicamente (ângulos e trajetórias das articulações e segmentos anatómicos) e cineticamente (forças de contacto entre o pé e o solo, momentos e forças nas articulações) a marcha humana. No contexto do presente trabalho foram utilizados sensores de forma a detetar pontoschave da marcha humana, permitindo um correto funcionamento do mecanismo. Os sensores serão colocados nos segmentos anatómicos de maior interesse para este estudo e irão possibilitar o cálculo dos ângulos das articulações e as suas acelerações angulares. A informação gerada pelos sensores será interpretada por um microcontrolador, que irá controlar um sistema de atuação, permitindo bloquear ou desbloquear a ortótese. Com este trabalho, pretende-se desenvolver uma abordagem inovadora, que difere de todas as soluções comerciais e apresentadas na literatura científica. Esta solução permite um funcionamento sem a necessidade de recorrer a sensores plantares (colocados no pé) e sem presença de cabos ao longo do membro inferior. Com esta abordagem pretende-se desenvolver um mecanismo que realize a operação de bloqueio e desbloqueio de modo eficaz, seguro e rápido para o seu utilizador.