Entwicklung von Konzepten zur Adaption des dynamischen Verhaltens von externen Beinprothesen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Menschen mit Amputationen benötigen adäquate Hilfsmittel zur Wiederherstellung ihrer Mobilität und folglich der Teilnahme am aktiven Leben. Aktuelle Beinprothesenkomponenten ermöglichen vielseitige Bewegungsmöglichkeiten, um die individuellen Bedürfnisse von Amputierten zu berücksichtigen. Bei Beinamputierten ist der Schaft, als Schnittstelle von Prothese zu Beinstumpf, für den Gangkomfort maßgeblich verantwortlich. Gangrichtungswechsel führen dort durch die hohe Gangdynamik zu besonders kritischen Belastungen am Beinstumpf. Aktuell konzentrierten sich die Entwicklungen in der Beinprothetik auf die Unterstützung der Nutzer bei geradem Gehen und es stehen entsprechende semi-aktive sowie aktive Produkte zur Verfügung. Für Richtungswechsel existieren rein passive Rotationsadapter, welche über eine fest definierte Torsionssteifigkeit die auftretenden Scherkräfte reduzieren, sich jedoch nicht die aktuelle Bewegungssituation anpassen. In diesem Projekt wurden Zusammenhänge zwischen der transversalen Torsionssteifigkeit sowie der Fußwinkelstellung (internal/external) und den Belastungen in der Beinprothese analysiert. Ein hierzu entwickeltes Messsystem kann in die Struktur von Beinprothesen implementiert werden und erfasst die dort auftretenden Belastungen sowie die Bewegungen der Prothese in den sechs Freiheitsgraden. Unter Verwendung des Messsystems wurde eine Probandenstudie mit zwei Unterschenkelamputierten durchgeführt. Aus der Korrelation von subjektiver Probandenrückmeldung und objektiver Messwerte können Torsionssteifigkeit und Fußwinkel in Abhängigkeit der Bewegungssituation (Gangphase, -geschwindigkeit und -richtung) für ein gutes Komfortempfinden festgestellt werden. Der im Projekt entwickelte Rotationsadapter mit adaptiver Torsionssteifigkeit und Fußwinkelstellung kann unter Berücksichtigung dessen, die Belastungen am Stumpf reduzieren und somit eine Steigerung des Gangkomforts in dynamischen Gangsituationen bewirken. Mit dem Ansatz zur Mensch-Maschine-zentrierten Entwicklung von Beckerle 2014 wurden zudem nutzerrelevante und technische Faktoren analysiert. Als Entwicklungsschwerpunkte wurden dabei Gangerkennung, Parameterauswahl für das Systemverhalten sowie der Antrieb identifiziert. Zur Gangerkennung wird ein sensorminimaler Algorithmus vorgestellt, der die Erkennung von Gangphase und –geschwindigkeit sowie der Gangrichtung ermöglicht. Die Gangphasen- und Ganggeschwindigkeitserkennung wurden in Ganganalysen mit zwölf Personen ohne Amputation in einem Ganglabor und freier Umgebung validiert. Nach Erhebung und Definition von Systemanforderungen und -verhalten wurde ein prototypischer Rotationsadapter mit adaptiver Torsionssteifigkeit und Fußwinkelstellung entwickelt. Als Antriebskonzepte wurden dem Direktantrieb seriell-elastische sowie parallel-elastische Antriebe auf Basis eines realitätsnahen Testzyklus gegenübergestellt und ein parallel-elastischer Antrieb ausgewählt. Die Hardware des Prototyps und dessen Software zur Parameterauswahl und Sollgrößenadaption wurde realisiert und auf einem Prüfstand validiert. Abschließende Funktionstests mit fünf Personen mit Amputation zeigen die Funktion des Systems. Die Probanden berichteten, dass sie eine deutliche Belastungsreduktion und eine Mobilitätssteigerung in dynamischen Gangsituationen erfahren haben. Dies zeigt die Relevanz des betrachteten Freiheitsgrades für alltägliche Bewegungen und unterstreicht das Potential der entwickelten adaptiven Prothesenkomponente.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Conception and Evaluation of a novel variable torsion stiffness for biomechanical applications. In 2012 4th IEEE RAS EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob), pages 713–718, Jun 2012
J. Schuy, P. Beckerle, J. Wojtusch, S. Rinderknecht, and O. von Stryk
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Systematic course synthesis for balance and mobility tests selected for users of lower limb prosthesis. Robotics: Science and Systems, Berlin, Germany, 2013
J. Schuy, F. Schültje, and S. Rinderknecht
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A new device to measure load and motion in lower limb prosthesis - tested on different prosthetic feet. In Robotics and Biomimetics (ROBIO), 2014 IEEE International Conference on, pages 187–192, Dec 2014
J. Schuy, A. Burkl, P. Beckerle, and S. Rinderknecht
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Analysis of System Dynamic Influences in Robotic Actuators with Variable Stiffness. Smart Structures and Systems, pp. 711-730, 2014
P. Beckerle, J. Wojtusch, S. Rinderknecht, O. von Stryk
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Human-machine-centered design and actuation of lower limb prosthetic systems. Dissertation, Shaker Verlag, 2014
P. Beckerle
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Integrated measurement system for amputee gait analysis: A pilot study. In Healthcare Innovation Conference (HIC), 2014 IEEE, pages 91–94, Oct 2014
J. Schuy and S. Rinderknecht
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Mobiles Messsystem zur Ganganalyse von Beinprothesenträgern basierend auf dem NI-myRIO, Chapter 7, Pages 332–335. VDE Verlag, 2014
J. Schuy, A. Burkl, and S. Rinderknecht
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Design & evaluation of a sensor minimal gait phase and situation detection algorithm of human walking. In Humanoid Robots (Humanoids), 2015 IEEE-RAS 15th International Conference on, pages 20–25. IEEE, 2015
J. Schuy, T. Mielke, M. Steinhausen, P. Beckerle, and S. Rinderknecht
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Active lower limb prosthetics: a systematic review of design issues and solution. Biomed Eng Online, 15 (Suppl 3): 140, 2016
M. Windrich, M. Grimmer, O. Christ, S. Rinderknecht, and P. Beckerle
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Variable Torsionssteifigkeit in Unterschenkelprothesen zur aktiven Unterstützung in dynamischen Gangsituationen, Dissertation, Shaker Verlag, 2016
J. Schuy
