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義足のロールオーバー形状：有限要素法による評価と実験的検証
Roll-over shape of a prosthetic foot: a finite element evaluation and experimental validation.
PMID: 32683593 DOI: 10.1007/s11517-020-02214-9.
抄録
義足の設計は、これまで試行錯誤を繰り返しながら実験的に行われてきましたが、本研究では、このような試行錯誤の結果をもとに、義足のロールオーバー形状（ROS）を先験的に評価する新しい数値手法を導入し、体系的な設計・開発に応用することを目的としています。本研究の目的は、義足のロールオーバー形状(ROS)を事前に評価するための新しい数値的アプローチを導入し、義足の体系的な設計・開発に応用することである。ROSは、拡張ラグランジアンと多点拘束接触定式化、超弾性材料モデル、高次ひずみ定義を組み込んだ非線形有限要素モデルを使用することで数値的に達成されました。数値モデルを実験的に検証するために，Ottobock Solid Ankle Cushion Heel (SACH)を選択しました．足の形状は光学スキャンから評価し、材料特性は一軸引張試験、せん断試験、体積圧縮試験から求めました。新しいセットアップは、拡張モーメントアームと可変荷重を含めることで、ROSの実験的決定を改善するために設計されました。その結果、数値計算結果と実験結果との間のROSの曲率半径の誤差を解析したところ、7.52%の誤差が得られ、モデルの妥当性が確認された。この種の数値設計モデルは，入力設計パラメータを変化させて，指定された性能特性を持つ義足を効果的かつ経済的に実現するために利用することができる．グラフィカル・アブストラクト
Prosthetic feet have generally been designed experimentally by adopting a trial-and-error technique. The objective of this research is to introduce a novel numerical approach for the a priori evaluation of the roll-over shape (ROS) of a prosthetic foot for application in its systematic design and development. The ROS was achieved numerically by employing a non-linear finite element model incorporating the augmented Lagrangian and multi-point constraint contact formulations, a hyperelastic material model and a higher-order strain definition. The Ottobock Solid Ankle Cushion Heel (SACH) foot was chosen to experimentally validate the numerical model. The geometry of the foot was evaluated from optical scans, and the material properties were obtained from uniaxial tensile, shear and volumetric compression tests. A new setup was designed for an improved experimental determination of the ROS, with the inclusion of an extended moment arm and variable loading. Error analysis of the radius of curvature of the ROS between the numerical and experimental results showed the percentage error to be 7.52%, thereby establishing the validity of the model. A numerical design model of this kind can be utilised to vary the input design parameters to arrive at a prosthetic foot with specified performance characteristics effectively and economically. Graphical abstract.