Design and Development of a Lightweight Ankle Exoskeleton for Human Walking Augmentation

RESUMÉ La plupart des exosquelettes motorisés de la cheville ont une masse distale considérable, ce qui limite leur capacité à réduire l'énergie dépensée par l'utilisateur durant la marche. L'objectif de notre travail est de développer un exosquelette de chevilles avec le minimum de masse distale ajoutée comparé aux exosquelettes motorisés de chevilles existants. Aussi, l'exosquelette doit fournir au moins 50 Nm de support au couple de flexion plantaire. L'exosquelette développé dans le cadre de ce mémoire utilise deux câbles Bowden pour transmettre la force mécanique de l'unité d'actionnement attachée à la taille aux deux tiges en fibre de Carbonne attachées à la botte de l'utilisateur. Quand les deux tiges sont tirées, ils génèrent un couple qui supporte le mouvement de flexion plantaire à la fin de la phase d'appui du cycle de marche. Une pièce conçue sur mesure et imprimé en plastique par prototypage rapide a été attachée au tibia pour ajuster la direction des câbles. Une étude d'optimisation a été effectuée pour minimiser la masse des tiges limitant ainsi la masse distale de l'exosquelette (attaché au tibia et pied) à seulement 348 g. Le résultat principal obtenu à partir des tests de marche est la réduction de l'activité des muscles soléaire et gastrocnémien du sujet par une moyenne de 37% et 44% respectivement lors de la marche avec l'exosquelette comparée à la marche normale. Cette réduction s'est produite quand l'exosquelette a fourni une puissance mécanique de 19 ± 2 W avec un actionnement qui a commencé à 38% du cycle de marche. Ce résultat démontre le potentiel de notre exosquelette à réduire le cout métabolique de marche et souligne l'importance de réduire la masse distale d'un exosquelette de marche.

Abstract

Most of powered ankle exoskeletons add considerable distal mass to the user which limits their capacity to reduce the metabolic energy of walking. The objective of the work presented in this master thesis is to develop an ankle exoskeleton with a minimum added distal mass compared to existing autonomous powered ankle exoskeletons, while providing at least 50 Nm of assistive plantar flexion torque. The exoskeleton developed in this master thesis uses Bowden cables to transmit the mechanical force from the actuation unit attached to the waist to the carbon fiber struts fixed on the boot. As the struts are pulled, they create an assistive ankle plantar flexion torque. A 3D-printed brace was attached to the shin to adjust the direction of the cables. A design optimization study was performed to minimize the mass of the struts, thereby limiting the total added distal mass, attached to the shin and foot, to only 348 g. The main result obtained from walking tests was the reduction of the soleus and gastrocnemius muscles activity by an average of 37% and 44% respectively when walking with the exoskeleton compared to normal walking. This reduction occurred when the exoskeleton delivered a mechanical power of 19 ± 2 W with an actuation onset fixed at 38% of the gait cycle. This result shows the potential of the proposed exoskeleton to reduce the metabolic cost of walking and emphasizes the importance of minimizing the distal mass of ankle exoskeletons.