Design of a Passive, Shear-Based Rotary Hydraulic Damper for Single-Axis Prosthetic Knees

阻尼器 扭矩 液压缸 同心的 运动学 工程类 结构工程 步态 计算机科学 机械工程 物理医学与康复 热力学 物理 几何学 经典力学 医学 数学
作者
V. N. Murthy Arelekatti,Nina T. Petelina,W. Brett Johnson,Amos G. Winter,Matthew J. Major
标识
DOI:10.1115/detc2018-85962
摘要

With over 30 million people worldwide in need of assistive devices, there is a great need for low-cost, high performance prosthetic technologies in the developing world. A majority of the hydraulic dampers used in prosthetic knee designs are highly specialized, expensive, require regular maintenance, and are incompatible for use with low-cost, single-axis prosthetic knees popular in developing countries. In this study, optimal damping coefficients were computed based on a theoretical analysis of gait, specifically during the transition from the stance to swing phase of human walking when a large damping torque is needed at the knee. A novel rotary hydraulic damper prototype was designed using high-viscosity silicone oil and a concentric meshing of fins for shearing the oil. The prototype was validated experimentally to provide the desired damping torque profile. For preliminary, user-centric validation of the prototype, a gait study on one above-knee amputee in India was conducted with four different damping magnitudes. Feedback from the subject validated the optimal damping torque magnitude predicted for minimizing gait deviations and for enabling able-bodied knee kinematics. The new rotary hydraulic damper design is novel, passive, and compatible with low-cost, single-axis knee prostheses.
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