Konzepte für aktiv angetriebene Prothesengelenke der unteren Extremität

Abstract

In Zukunft hat die Firma Otto Bock vor, Patienten mit aktiven Prothesengelenken für die untere Extremität anzubieten. Als erster Schritt in diese Richtung wurden in dieser Arbeit Methoden zur Auslegung von Bestandteilen solcher Systeme entwickelt. Zu Beginn wurden Grundbegriffe aus der Ganganalyse thematisiert und anschließend auf konkrete Messdaten von passiven Prothesen und physiologischen Gelenken angewandt. Die Analyse dieser Daten lieferte wertvolle Einblicke in die Unterschiede zwischen passiven Prothesen und dem physiologischen Gang.<br />Die hier gewonnenen Erkenntnisse waren wichtige Anhaltspunkte zur Formulierung von Anforderungen an aktive Prothesengelenke. Eine weiter gehende Analyse beantwortete die Frage, ob die Entwicklung eines aktiven Knie- oder Fußgelenkes lohnender erscheint. Anschließend wurden vier verschiedene Konzepte für Antriebe aktiver Prothesen entwickelt. Für jedes Konzept wurde eine Methode zur Bestimmung ausgewählter Systemparameter entworfen und erfolgreich angewandt. Das Ziel war die Minimierung des Energieverbrauchs der Prothese. Dabei kam ein gradientenbasiertes Verfahren zur Lösung nichtlinearer Optimierungsprobleme mit Nebenbedingungen zum Einsatz. Die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden können für die Produktentwicklung aktiver Prothesen für die untere Extremität herangezogen werden.<br />

Otto Bock wants to provide users with active lower extremitiy prostheses. As a first step towards the development of such devices, computational methods for the determination of system parameters are developed in this work. The basic terminology on gait analysis is first introduced and then applied to measurement data of passive prostheses and physiological limbs. The analysis of these data provides valuable insights on the differences between physiological gait and passive prosthetic gait. Based on these findings the requirements for active prosteses were defined. A more profound analysis was performed on the question whether an active knee or ankle joint appears to be more promising. This led to the development of four different actuation concepts for active prostheses. A scheme for the determination of certain system parameters was developed and tested for each concept, aiming at minimal energy consumption during gait. This was accomplished using a gradient-based method for the solution of nonlinear constrained optimization problems. The methods presented in this work can be used in the product development process of active lower extremity prostheses.