Steuerung eines aktiven Prothesenkniegelenks auf Rampen mit unterschiedlicher Neigung

Abstract

Eine Amputation ist stets auch mit einem Verlust an Bewegungsfreiheit und Lebensqualität verbunden. Das Unternehmen Ottobock hat sich zum Ziel gesetzt, mittels innovativer Lösungen Menschen dabei zu helfen, ihre Mobilität weitgehend wiederzuerlangen und ist dabei im Bereich von passiven und mikroprozessorgesteuerten Prothesenkniegelenken weltweit führend. Trotz bereits hoch entwickelter Technologien gelangen auch die besten mikroprozessorgesteuerten Prothesenkniegelenke aufgrund einer fehlenden aktiven Kraftunterstützung, durch beispielsweise einen integrierten Motor, in vereinzelten Alltagssituationen an ihre Grenzen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auf Basis des Prinzips eines Zustandsautomaten eine Steuerung für ein neuentwickeltes, aktives Prothesenkniegelenk von Ottobock für das Gehen in der Ebene sowie für das Rampe-Abwärtsgehen entwickelt und getestet. Nach bisherigem Stand der Technik ist der Prothesenträger nämlich gezwungen, ab einer bestimmten Grenzneigung zwischen ca. -3 % und ca. -7 % sein Bewegungsmuster bewusst umzustellen. Ziel dieser Arbeit war es, mithilfe einer geeigneten Standphasensteuerung zu untersuchen, ob im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik eine stufenlose Veränderung des Bewegungsablaufs bei sich inkrementell ändernder Neigung des Untergrunds möglich ist, so wie es auch beim physiologischen Bewegungsablauf der Fall ist. In der Ebene galt es, das Gangbild hin zu einem physiologischen Gangbild zu optimieren. Im Rahmen der Durchführung sind zwei Anwendertests in der Ebene, auf einer -5 % und einer -10 % Rampe durchgeführt worden. In der Ebene wiesen die Ergebnisse beider Anwendertests eine deutliche Annäherung an das physiologische Gangbild auf. Auf der Rampe ist ein Hinabgehen mit Standphasenbeugung und -streckung bei beiden Anwendern bis -10 % realisiert worden und damit auch eine deutliche Annäherung an das physiologische Gangbild. Mit Ausnahme der Ergebnisse zur -10 % Rampe bei einem der Anwender wurden die erzielten Bewegungsmuster auch von Seiten der Anwender positiv bewertet.

An amputation is always associated with a loss of mobility and quality of life. Ottobock, a world leader in orthopaedic technology, is motivated by the goal of helping people regain their mobility through innovative solutions and leading the field of passive and microprocessor-controlled prosthetic knee joints. Despite advanced technologies, even the best microprocessor-controlled prosthetic knee joints are limited in individual daily situations due to a lack of active power support generated, e.g., by an integrated electric motor. The work presented here demonstrates a control system based on a finite state machine for a newly developed active prosthetic knee joint from Ottobock. This prosthetic knee was designed and tested for walking on level-ground surfaces and sloped gradients. With the current state of the art, the user is forced to consciously change their movement pattern after a certain threshold gradient between approx. -3 % and -7 % has been reached. The aim of this work was to investigate whether more physiological movement patterns are possible while traversing ramps with incrementally varied incline angles. Of particular interest was the possibility of applying a new stance phase control for continuous adaption, which is not achievable with state-of-the-art control methods. For level-ground walking, the aim was likewise to optimize the gait pattern towards a more physiological gait pattern. Two subjects participated in a user test where they walked on a level-ground surface, as well as a ramp with a gradient of -5 % and -10 %. For level-ground walking, both users showed a distinct approximation to physiological gait patterns. On ramps, stance phase flexion/extension mimicking physiological gait was achieved by both users for both gradients. Aside from the feedback from one user during the -10 % ramp descent test, the resulting control was evaluated positively by the users.