論文の概要: Design and Validation of a Lightweight, Low-Profile Powered Knee Prosthesis with Quasi-Direct Drive Actuation
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.02003v1
- Date: Wed, 02 Sep 2026 02:28:00 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-09-03 17:53:18.030689
- Title: Design and Validation of a Lightweight, Low-Profile Powered Knee Prosthesis with Quasi-Direct Drive Actuation
- Title（参考訳）: 四方向駆動アクチュエータを用いた軽量低出力膝義歯の設計と評価
- Abstract要約: 準直接駆動(QDD)アクチュエータは、優れたトルク制御、バックドライブ性、音響ノイズ特性を提供する。
以前のQDDプロトタイプは、商用翻訳には重すぎてかさばるものだった。
新規軽量 (2.6 kg) と低出力 (24.5 cm) のQDD人工膝関節の設計と評価を行った。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.567330863443465
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
- Abstract: Fully-powered knee prostheses, unlike traditional passive knees, can perform controlled positive work, reducing the need for compensatory behaviors by users during energy-intensive activities. While quasi-direct drive (QDD) actuators provide superior torque control, backdrivability, and acoustic noise properties compared to traditional highly-geared actuators, prior QDD prototypes have been too heavy and bulky for commercial translation. In this work, we present the design and validation of a new lightweight (2.6 kg) and low-profile (24.5 cm tip-to-tip build height) QDD knee prosthesis. By optimizing an 18 to 1 two-stage transmission alongside thermal and structural finite-element analyses, we significantly reduce device mass while enabling a peak torque of 145 Nm. Through benchtop tests, we validate the device's high output torque, low backdrive torque (1 Nm), and its precision position and torque control capabilities. We also demonstrate biomimetic kinematics and peak knee extension torques (within one standard deviation of able-bodied references) during both level-ground walking and sit-stand transitions performed by three participants with transfemoral amputation and varying K-levels. By meeting or improving upon the mass, build height, peak torque, and acoustic noise of a leading commercial powered knee, this work establishes the clinical viability of emerging QDD prostheses that promise improved dynamic performance for their users.
- Abstract（参考訳）: 従来の受動膝とは違い、完全パワーの膝義肢は制御されたポジティブな作業を行うことができ、エネルギー集約活動中の利用者による補償行動の必要が軽減される。
準直接駆動(QDD)アクチュエータは、従来の高ギアアクチュエータに比べてトルク制御、バックドライブ性、音響ノイズ特性に優れるが、以前のQDDプロトタイプは商業翻訳には重すぎてかさばるものだった。
本研究では,新しい軽量 (2.6 kg) と低目視 (24.5cm) のQDD人工膝関節の設計と評価を行う。
熱的および構造的有限要素解析とともに18〜1段の伝送を最適化することにより、ピークトルク145Nmを実現し、デバイス質量を著しく削減する。
ベンチトップ試験により,装置の高出力トルク,低バックドライブトルク(1Nm),高精度位置とトルク制御能力を検証した。
また, 生体模倣性膝伸展トルクと最大膝伸展トルク(健常者への標準偏差)を, 上肢切断とKレベルの変化を伴う3人の被験者が行った歩行および座位移行の両面において示す。
本研究は, 市販膝関節の質量, 高さ, ピークトルク, 音響ノイズを満足又は改善することにより, 新規QDD補綴物の臨床的有用性を確立し, 使用者の動的パフォーマンスの向上を約束する。
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