Design of passive exotendon spring elements to replace muscle torques during gait

Nowadays, wearable exoskeletons are widely used as assistive tools during gait rehabilitation, implementing strategies such as gravity compensation and metabolic cost reduction, however, these devices often require the use of motors and controllers. This research is driven by the need for a simple, inexpensive and customizable device, a passive exotendon able to provide a desired torque profile to multiple joints. A simulation model study was implemented to see whether it is possible to use diagonal tension elements, which act mathematically as basis functions, to reproduce the torque field generated by a healthy person during walking. This would allow to create a wearable exotendon system made of passive elastic elements, called ExoNET, able to deliver this torque field to the lower extremity of the patient during gait rehabilitation. The results presented in this work show that it is indeed possible to create a passive torque field from elastic elements that approximates the moments of force exerted by the muscles of an healthy leg during walking, even if it cannot completely make up for the muscular torque demand. The ExoNET is a multidimensional spring system that shifts the control intelligence from the software to the physical hardware. It has the potential to be quickly and inexpensively constructed, and easily configured by the end user or clinician for specific needs. By using multidimensional springs that store and return energy during the gait cycle, the active energy input from the muscles decreases. This way, we could reduce the use of the muscles and thus we could reduce the metabolic cost of walking.

Al giorno d'oggi, gli esoscheletri indossabili sono ampiamente utilizzati come strumenti assistivi durante la riabilitazione del cammino, implementando strategie come compensazione della gravità e riduzione del costo metabolico, tuttavia, questi dispositivi spesso necessitano l'uso di motori e controllori. Questa ricerca è guidata dal bisogno di un dispositivo semplice, economico e personalizzabile, un esoscheletro passivo capace di applicare momenti desiderati a diverse articolazioni. Un modello simulativo è stato implementato per vedere se è possibile utilizzare elementi che applicano tensione diagonale, che si comportano matematicamente come funzioni base, per riprodurre il campo dei momenti generati da una persona sana durante il cammino. Questo permetterebbe di creare un esoscheletro indossabile fatto di elementi elastici passivi, chiamato ExoNET, capace di applicare questo campo di momenti alla gamba di un paziente durante la riabilitazione del cammino. I risultati presentati in questo studio mostrano che è possibile creare un campo di momenti passivo da elementi elastici che approssimi i momenti generati dai muscoli di una gamba sana durante il cammino, anche se non può sostituire del tutto i momenti richiesti ai muscoli. L'ExoNET è un sistema di molle multidimensionale che sposta il controllo dal software all'hardware fisico. Ha il potenziale di essere costruito velocemente ed economicamente, e di essere facilmente configurato dall'utente o dal clinico per esigenze specifiche. Usando molle multidimensionali che immagazzinano e restituiscono energia durante il ciclo del passo, l'apporto energetico attivo dei muscoli diminuisce. In questo modo, potremmo ridurre l'uso dei muscoli e quindi ridurre il costo metabolico richiesto per camminare.