Modeling digital hydraulics in a prosthetic knee

Abstract

Fortschritte auf dem Gebiet der Prothetik sind von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Lebensqualität von Menschen mit Amputationen. Die jüngste Generation von Knieprothesen basiert auf der Nutzung sensorgesteuerter Servoventile, welche eine exakte Anpassung des Ventilspalts und der damit einhergehenden hydraulischen Dämpfung ermöglichen. Dies gewährleistet eine optimale Bewegungssteuerung, wobei die Nachahmung der natürlichen Beinbewegung im Vordergrund steht. Allerdings weisen Servoventile häufig eine komplexe Konstruktion auf und sind anfällig für Verschmutzungen. In der Digitalhydraulik hingegen werden Schaltventile eingesetzt, welche lediglich den binären Ventilzustand, offen oder geschlossen, zulassen. Eine signifikante Anzahl industrieller Anwendungen hat diese Digitalhydraulik aufgrund ihrer Robustheit und hohen Effizienz übernommen. In Anbetracht der fortschreitenden Entwicklungen auf diesem Gebiet zielt diese Studie darauf ab, das Potential der Digitalhydraulik in einer Knieprothese zu untersuchen. Ein wesentlicher Aspekt dieser Forschungsarbeit ist die Modellbildung der Hydraulik einer Knieprothese, sowie die Erstellung eines Mehrkörpersystems, welches die Beinbewegung abbildet. Die Modellbildung erfolgt durch eine hinreichende Vereinfachung der Systeme sowie die Beschreibung anhand mathematischer Gleichungen. Diese Gleichungen werden mittels Simulationen unter unterschiedlichen Bedingungen berechnet und analysiert. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei dem Vergleich zwischen Servo- und Schaltventil, wobei die Unterschiede in der Bewegung, dem Systemdruck und der Energiebilanz im Vordergrund stehen. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine detaillierte Modellbildung für das Zusammenwirken von Hydraulik und Mehrkörpersystem, wodurch eine fundierte Simulationsgrundlage für weitere Forschungsarbeiten im Bereich der Digitalhydraulik in Knieprothesen geschaffen wird.

Advances in the field of prosthetics are critical in order to improve the quality of life of those who have undergone amputation. The latest generation of knee prostheses uses sensor-controlled servo valves, which enable the precise adjustment of the valve opening and the resulting hydraulic damping. This ensures optimal motion control to emulate the natural movement of the leg. However, servo valves often have a complex design and are susceptible to contamination. In digital hydraulics, on the other hand, On/Off valves are used, which only allow the binary valve state, open or closed. Many industrial applications have adopted digital hydraulics for their robustness and high efficiency. Given the ongoing developments in this field, this study aims to investigate the potential of digital hydraulics in a knee prosthesis. A fundamental element of this thesis is the modeling of the hydraulics of a knee prosthesis, as well as the creation of a multi-body system that depicts leg movement. The modeling is conducted by reducing the complexity of the systems and describing them through mathematical equations. These equations are calculated and analyzed using simulations under different conditions. A comparison between the servo and the On/Off valve pays particular attention to the differences in movement, system pressure, and energy balance. \\This thesis presents a detailed modeling of the interaction between hydraulics and the multi-body system, creating a simulation basis for further research on digital hydraulics in knee prostheses.