Kinematikoptimierung einer Handprothese

Abstract

Der derzeitige Trend in der Prothetik der oberen Extremität geht in Richtung multiartikuläre Hände. Jedoch ist es bei diesen Systemen aufgrund der erhöhten Anzahl von Aktoren und Gelenken oft schwer, einen optimalen Kompromiss zwischen Bedienbarkeit, Schnelligkeit, Griffkraft und Robustheit zu finden. Diese Herausforderung ist umso größer, je kleiner die Prothese ist. Deshalb wurde im Rahmen eines firmeninternen Ottobock-Projektes mit der Entwicklung einer kleinen Handprothese begonnen, die vollkommen entgegen dem allgemeinen Trend nur einen Freiheitsgrad besitzt. Dabei wurden erstmalig alle Fingerbewegungen an die Bewegung des einzig vorhandenen Antriebes gekoppelt und die Hauptabmessungen sowie die Fingergeometrien festgelegt. Allerdings bedarf es aufgrund der minimalen Anzahl von Aktoren einer optimalen Abstimmung der Kinematik, um eine möglichst hohe Anzahl von verschiedenen Handstellungen realisieren zu können. Die optimale Kinematikabstimmung bildet die Kernaufgabe dieser Diplomarbeit und wird mittels eines numerischen Optimierungsverfahrens, dem Nelder-Mead-Algorithmus, ausgeführt. Die erreichten Optimierungsergebnisse werden dann in einem Prototyp umgesetzt und mit aktuellen Top-Marktprodukten von Handprothesen verglichen. Mit Hilfe der Kinematikoptimierung konnten mit nur einem Aktor fünf verschiedene Handstellungen inklusive aktiver Daumenpositionierung realisiert werden. Weiters konnte durch den Vergleich mit anderen Handprothesen gezeigt werden, dass das simplifizierte System auch mit den aktuell vorhandenen multiartikulären Marktprodukten mithalten kann. Besonders die denkbar einfache, benutzerfreundliche Bedienbarkeit des 1-FHG-Systems und die hohen Griffkräfte von bis zu 58 N im Lateral-Griff und 70 N im Tripod-Griff sprechen für den im Zuge dieser Arbeit entwickelten Prototyp.

The current trend in prosthetics of the upper extremities points towards multi-articular hands. The high number of actuators and joints presents a challenge however, since they make it difficult to find a balance between usability, speed, grip force, and robustness. The challenge is magnified the smaller the prosthesis gets. Within the framework of a company internal Ottobock project, development of a small sized hand prosthesis was launched, which completely counters the current trend and only possesses a single degree of freedom. For the very first time, all finger movements were coupled to the movements of the sole motor and the main dimensions as well as the geometries of the fingers were determined. As a function of the minimal number of actuators, it is pivotal to balance the kinematics perfectly to attain the highest possible number of hand movements. Balancing the kinematics shall present the core task of this diploma thesis and shall be laid out by using a numerical optimization procedure, the Nelder-Mead algorithm. The optimization numbers attained from this procedure shall then be realized in a prototype and will be compared to the best products on the market of hand protheses. By using kinematic optimization methods, five different hand movements, including an active thumb positioning, were attained with only a single actuator. In addition, the comparison with other hand prostheses yielded that the simplified measures up well with the multi-articular products that can be found in the market. Especially the vastly intuitive usability and the high grip force of up to 58 N in a lateral grip and 70 N in a tripod grip present major benefits of the prototype that was developed within the scope of this work.