Kim, Sin-Gi;Kim, Gyeong-Hun;Mun, Mu-Seong;Lee, Sun-Geol;Baek, Yeong-Nam
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.25
no.4
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pp.685-694
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2001
In this study, a transfemoral prosthesis system of which both stance phase and swing phase are controllable has been developed for the recovery of the biomechanical function of the amputated leg. It consists of a 5 bar link mechanism, a hydraulic-rubber knee damper for stance phase control and a pneumatic cylinder controlled via a microprocessor for stance phase control. The mechanical characteristics of the knee damper which absorbs the impact energy generated at the heel contact were investigated. The characteristics of the pneumatic cylinder essential for the speed adaptation of the prosthesis during swing phase were also studied for its mechanical characteristics. The prosthesis was subject to the clinical tests, and the gait characteristics obtained were very close to those of normal subjects. The stance and swing controlled prosthesis that were developed in this study showed good stability during the stance phase and showed good controllability during the swing phase.
Kim, Shin-Ki;Kim, Jong-Gwon;Hong, Jeong-Hwa;Kim, Gyeong-Hun;Mun, Mu-Seong;Lee, Sun-Geol;Baek, Yeong-Nam
Proceedings of the KSME Conference
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2000.11a
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pp.504-509
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2000
In this study, a transfemoral prosthesis system of which stance phase and swing phase are controlled during walking has been developed for the recovery of the biomechanical function of the amputated leg. It consists of a 5 bar link mechanism, a hydraulic-rubber knee damper for stance phase control and a pneumatic cylinder controlled via a microprocessor for stance phase control. The mechanical characteristics and behaviour of the knee damper which absorbs the impact energy generated at the heel contact was investigated. The characteristics of the pneumatic cylinder essential for the speed adaptation of the prosthesis during swing phase was also studied for its mechanical characteristics. The prosthesis was subject to the clinical test ant the gait characteristics obtained were very close to those of normal. The stance and swing controlled prosthesis that were developed in this study showed good stability during the stance phase and showed good controllability during the swing phase.
For this research, 27 out of 52 patients with chronic low back pain involving sacroiliac joint pain were classified into the experimental group to conduct pelvic exercise program and traditional physical therapies in parallel, and the remaining 25 ones were classified into the control group to only apply traditional physical therapies for 6 weeks. After that, their clinical samples were randomly extracted. Before the experiment, both of the experimental group and the control group had the Oswestry disability index test to see how big their pain was and their hip joint angles were analyzed during walking. After the post-test, finally, the results of the Oswestry disability index test and hip joint angles while walking before and after the experiment were compared between two groups to know the effect of pelvic stability exercise program. Within-group results and between-group results both displayed significantly reduced low back pain, and when comparing hip joint angles of the experimental group, there were differences between mid stance phase, terminal stance phase, pre swing phase and early swing phase of the right hip joint, and mid stance phase, terminal stance phase, pre swing phase and early swing phase of the left hip joint. In the control group, there were significant differences between mid stance phase, terminal stance phase and early swing phase of the right hip joint, and loading response phase, mid stance phase, terminal stance phase and pre swing phase of the left hip joint. as a result, pelvic stability exercise program is helpful to gait rhythm on stance phase and swing phase although effective to decrease Oswestry disability index including pain.
Freezing of gait is a severely problem in people with Parkinson's disease. The purpose of this study was to investigate the muscle activities of adductor longus, gluteus medius, gluteus maximus, biceps femoris, rectus femoris, gastrocnemius, and tibialis anterior using Noraxon 8 channels EMG system during stop task in patients with Parkinson's disease. Seven parkinson's patients and age matched normal participants were recruited in the study. Filtered EMG signals were rectified, smoothed and integrated. To control for the altered timing and magnitude of activity, iEMG was normalized for time and peak value. The results indicated that the patients with Parkinson showed decreased gait cycle, stance phase, swing phase time, swing phase time ratio and increased stance phase time ratio than normal participants. The patients with Parkinson showed decreased gastrocnemius muscle activity time ratio, while increased tibialis anterior muscle activity time ratio than normal participants. During stance phase before stop, the patients with Parkinson showed relatively lower average and peak iEMG in anterior tibialis and gastrocnemius muscle than normal participants. During swing phase before stop, the patients with Parkinson showed relatively higher average iEMG in gastrocnemius muscle than normal participants. During stop phase, the patients with Parkinson showed relatively lower average and peak iEMG in anterior tibialis and gastrocnemius muscle than normal participants.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.17
no.8
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pp.814-823
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2011
Nowadays many neurological diseases such as stroke and Parkinson diseases are continually increasing. Orthotic devices as well as exoskeletons have been widely developed for supporting movement assistance and therapy of patients. Robotic knee orthosis can compensate stiff-knee gait of the paralyzed limb and can provide patients consistent assistance at wearable environments. With keeping a robotic orthosis wearable, however, it is not easy to develop a compact and safe actuator with fast rotation and high torque for consistent supports of patients during walking. In this paper, we propose a novel kinematic model for a robotic knee orthosis to drive a knee joint with independent actuation during swing and stance phases, which can allow an actuator with fast rotation to control swing motions and an actuator with high torque to control stance motions, respectively. The suggested kinematic model is composed of a hamstring device with a slide-crank mechanism, a quadriceps device with five-bar/six-bar links, and a patella device for knee covering. The quadriceps device operates in five-bar links with 2-dof motions during swing phase and is changed to six-bar links during stance phase by the contact motion to the patella device. The hamstring device operates in a slider-crank mechanism for entire gait cycle. The kinematics and velocity/force relations are analyzed for the quadriceps and hamstring devices. Finally, the adequate actuators for the suggested kinematic model are designed based on normal gait requirements. The suggested kinematic model will allow a robotic knee orthosis to use compact and light actuators with full support during walking.
A new knee-ankle-foot-orthosis(KAFO) which uses an automatically-controlled electromechanical wrap spring clutch for the knee joint was developed in the present study. It was found that the output voltage from the foot switches of the developed KAFO was proportionally increased with respect to the applied load. The output voltage from the infrared sensor also decreased as the knee flexion angle increased. The knee joint system for the new KAFO weighs only 780g lighter than any other commercially available developed system. In addition, the solenoid reduces the reaction time for the automatic control of the knee joint. The static torque of the clutch was measured for three persons, and it satisfied the normal knee extension moment during the pre-swing. Three-dimensional gait analyses for three different gait patterns (normal gait, locked-knee gait, controlled-knee gait) from five normal subjects were conducted. Controlled-knee gait showed the maximum knee flexion angle of 40.56$\pm9.55^{\circ}$ and the maximum knee flexion moment of 0.20$\pm$0.07Nm/kg at similar periods in the normal gait. Our KAFO system satisfies both stability during stance phase and free knee flexion during the swing phase at the proper period during the gait cycle. Therefore, our KAFO system would be very useful in various low extremity orthotic applications.
Purpose: This study examined the effects of the lower limb alignment on the pelvis, hip, and knee kinematics in people with genu varum during stair walking. Methods: Forty subjects were enrolled in this study. People who had intercondylar distance ${\geq}4cm$ were classified in the genu varum group, and people who had intercondylar distance <4cm and intermalleolar distance <4cm were placed in the control group. 3D motion analysis was used to collect the pelvis, hip, and knee kinematic data while subjects were walking stairs with three steps. Results: During stair ascent, the genu varum group had decreased pelvic lateral tilt and hip adduction at the early stance phase and decreased pelvic lateral tilt at the swing phase compared to the control group. At the same time, they had decreased minimal hip adduction ROM at the early stance and decreased maximum pelvic lateral tilt ROM and minimum hip rotation ROM at the swing phase. During stair descent, the genu varum group had decreased pelvic lateral tilt at the early stance and decreased pelvic lateral tilt and pelvic rotation at the swing phase. In addition, they had decreased pelvic frontal ROM during single limb support and increased knee sagittal ROM during the whole gait cycle. Conclusion: This study suggests that a genu varum deformity could affect the pelvis, hip and knee kinematics. In addition, the biomechanical risk factors that could result in the articular impairments by the excessive loads from lower limb malalignment were identified.
The aim of the present study was to examine whether repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) can improve gait ability of acute stage stroke patients. This study was conducted with 39 subjects who were diagnosed as having a hemiparesis due to stroke. The experimental group included 20 subjects who underwent repetitive transcranial magnetic stimulation and the control group included 19 subjects who underwent sham therapy. The stroke patients in the experimental group underwent conventional rehabilitation therapy and rTMS was applied daily to the hotspot of the lesional hemisphere. The stroke patients in the control group underwent sham rTMS and conventional rehabilitation therapy. Participants in both groups received therapy five days per week for four weeks. Temporospatial gait characteristics, such as stance phase, swing phase, step length in affected side, velocity, and cadence, were assessed before and after the four week therapy period. A significant difference was observed in post-treatment gains for the step length in the affected side, velocity, and cadence between the experimental group and control group ( p < 0.05). However, no significant differences were observed between the two groups on stance phase and swing phase ( p > 0.05). We conclude that rTMS may be beneficial in improving the effects of acute stage stroke on gait ability.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.17
no.10
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pp.1021-1028
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2011
The objective of this paper is to optimize the design parameters of a novel mechanism for a robotic knee orthosis. The feature of the proposed knee othosis is to drive a knee joint with independent actuation during swing and stance phases, which can allow an actuator with fast rotation to control swing motions and an actuator with high torque to control stance motions, respectively. The quadriceps device operates in five-bar links with 2-DOF motions during swing phase and is changed to six-bar links during stance phase by the contact motion to the patella device. The hamstring device operates in a slider-crank mechanism for entire gait cycle. The suggested kinematic model will allow a robotic knee orthosis to use compact and light actuators with full support during walking. However, the proposed orthosis must use additional linkages than a simple four-bar mechanism. To maximize the benefit of reducing the actuators power by using the developed kinematic design, it is necessary to minimize total weight of the device, while keeping necessary actuator performances of torques and angular velocities for support. In this paper, we use a SGA (Simple Genetic Algorithm) to minimize sum of total link lengths and motor power by reducing the weight of the novel knee orthosis. To find feasible parameters, kinematic constraints of the hamstring and quadriceps mechanisms have been applied to the algorithm. The proposed optimization scheme could reduce sum of total link lengths to half of the initial value. The proposed optimization scheme can be applied to reduce total weight of general multi-linkages while keeping necessary actuator specifications.
Purpose: New therapeutic approaches have emerged to improve gait ability in patients with brain damage, such as action observation learning (AOT), auditory cueing, motor imagery etc. We attempted to investigate the effects of AOT with auditory cueing (AOTAC) on gait function in patients with stroke. Methods: The eighteen stroke patients with a unilateral hemiparesis were randomly divided into three groups; the AOTAC, AOT, and control groups. The AOTAC group (n=8) received training via observing a video that showed normal gait with sound of footsteps as an auditory cue; the AOT group (n=6) receive action observation without auditory stimulation; the control group (n=5) observed the landscape video image. Intervention time of three groups was 30 minutes per day, five times a week, for four weeks. Gait parameters, such as cadence, velocity, stride length, stance phase, and swing phase were collected in all patients before and after each training session. Results: Significant differences were observed among the three groups with respect to the parameters, such as cadence, velocity, stride length, and stance/swing phase. Post-hoc analysis indicated that the AOTAC group had a greater significant change in all of parameters, compared with the AOT and control groups. Conclusion: Our findings suggest that AOTAC may be an effective therapeutic approach to improve gait symmetry and function in patients with stroke. We believe that this effect is attributable to the change of cortical excitability on motor related to cortical areas.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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