HexaSpine: Biofidelic Measurement and Reconstruction of Human Cervical Spine Motion by Active and Passive Mechanisms
Final Report Abstract
Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist es, eine pneumatisch angetriebene Hexa¬pod-Plattform für die physikalische Nachbildung der Kraft-/Bewegungsverhältnisse an der Halswirbelsäule zu entwerfen, konstruktiv zu realisieren und zu regeln. Dadurch soll die Anzahl von Kadaverversuchen beim Test von Implantaten reduziert werden. Die einzelnen Aktuatoren bestehen dabei jeweils aus einer nur Zugkräfte generierenden pneumatischen Schlaucheinheit („fluidic muscle" von Festo) und einer koaxialen Druckfeder, wodurch Stick¬Slip-Effekte vermieden werden. Im Rahmen dieses Projektes wurde das System aufgebaut, eine echtzeitfähige Computersimulation der anatomischen Wechselwirkung realisiert sowie eine feinfühle Kraftregelung unter Berücksichtigung von Hysterese-Effekten sowie der gas¬dynamischen Gleichungen der pneumatischen Muskeln entwickelt und validiert. Die Reali¬sierung der Plattform umfasste die Optimierung der Plattform mit Hilfe von Methoden der Intervallarithmetik, um die Plattformarchitektur an die geringen relativen Hübe der pneuma¬tischen Muskeln unter Berücksichtigung der typischen Zielkraft- und Bewegungsvorgaben der menschlichen Wirbelsäule bestmöglich anzupassen. Für das gasdynamische Modell wurde eine reduzierte Gleichung aufgestellt, deren Parameter leicht (auch während des Be¬triebes) anhand von Messungen gefittet werden können, und die die Berechnung der Soll-Druckrate — so wie sie für die Kraftregelung benötigt wird — schnell und einfach gestattet. Bei der Nachbildung des Hystereseverhaltens wurden die gängigen Methoden der Literatur „Maxwell Slip", „Bouc-Wen" und „Prandtl-lshlinskii" implementiert, mit Hilfe von numeri¬schen Optimierungen an die Messungen gefittet und anschließend miteinander verglichen. Es zeigte sich, dass die Methode von Prandtl-lshlinskii die besten Ergebnisse lieferte. Auf¬bauend auf diesen Komponenten wurde eine robuste hybride Kraft-/Positionsregelung auf-gebaut, indem für die Position eine flachheitsbasierte Regelung und für die Koppelung von Kraft- und Positionsregelung eine Zerlegung der Plattformfreiheitsgrade in orthogonalen Positions- und Kraft-Unterräumen und deren Zusammenfügung durch Addition der entspre¬chenden Druckrückführungen an den Aktuatoren gewählt wurde. Damit lassen sich Prüf¬standsprotokolle mit kombinierten allgemeinen Sollkraft- und Sollpositionsverläufen realisie¬ren, so wie sie zum Beispiel für die Testung und Simulation von menschlichen Gelenken, insbesondere an der Wirbelsäule, benötigt werden.
