Study of piezo motors for valve control of lower limb prosthesis

Abstract

Die Amputation einer Gliedmaße stellt einen physisch und psychisch massiven Eingriff in die körperliche Unversehrtheit eines Menschen dar. Moderne Prothesen ersetzen die fehlenden Körperteile und geben dem Patienten Selbstständigkeit, Mobilität und Lebensqualität zurück. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung von künstlichen, mikroprozessorgesteuerten Kniegelenken. Das Kernstück derartiger Prothesen bildet ein Hydrauliksystem, bestehend aus einem Zylinder und zwei Ventilen. Durch die Ventilstellungen können die Dämpfungswiderstände für Extension als auch Flexion stufenlos eingestellt werden. In Kombination mit moderner Sensor- und Regelungstechnik lassen sich dadurch individuelle Bewegungswiderstände für die Stand- und Schwungphase erzeugen, wodurch sich eine möglichst naturgetreue Nachbildung des physiologischen Gangbildes ergibt. Die Ventile müssen dabei, korrespondierend zum Bewegungsablauf, laufend verstellt werden. Aktuell werden dafür kleine Elektromotoren mit einem nachgeschalteten Getriebe verwendet. Eine hohe Positioniergenauigkeit, rasche und geräuscharme Bewegung, kleinste Bauweise sowie eine lange Lebensdauer sind nur einige der hohen Anforderungen an diesen Antriebsstrang. Bedingt durch die fortgeschrittene Entwicklung der Antriebstechnologie stellte sich die Frage, ob moderne Piezomotoren eine mögliche Alternative zu den herkömmlichen Systemen darstellen. Das Grundprinzip derartiger Motoren beruht auf dem inversen piezoelektrischen Effekt. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an ein piezoelektrisches Material kommt es zu einer Verschiebung der Ladungsschwerpunkte und in Folge zu einer mechanischen Deformation. Diese kann schließlich zur Erzeugung einer linearen, bzw. rotatorischen Bewegung genutzt werden. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von derzeit am Markt verfügbaren Piezomotoren im Hinblick auf deren potentiellen Einsatz in einem vereinfachten und geräuschärmeren Antriebsstrang. Im Zuge einer Marktanalyse wurden die potenziell geeigneten Piezomotoren ermittelt. Aufgrund der guten technischen Spezifikation und geeigneten Abmessungen wurde der rotatorische Piezomotor ER-15 der Firma Nanomotion Ltd. ausgewählt. Dieser Motor funktioniert nach dem reibungsbasierten Prinzip bestehend aus vier parallel zur Antriebswelle angeordneten Piezoelementen, die über eine Keramikscheibe angreifen und somit die elliptische Vibration in eine Rotationsbewegung umsetzen. Für diesen Motor wurde in einem ersten Schritt das zugrunde liegende Funktions- und Ansteuerprinzip analysiert. Ein speziell angefertigter Prüfstand, in Kombination mit einer Steuerschnittstelle in MATLAB®, ermöglichte die Durchführung von automatisierten Messabläufen und Tests unter Laborbedingungen. Um die Praxistauglichkeit zu beurteilen, wurde in weiterer Folge ein marktübliches Otto Bock Genium® Kniegelenk auf den Betrieb mit Piezomotoren umgebaut. Dieser Prototyp wurde in einem Gangsimulator unter anwendungsnahen Bedingungen getestet. Aus den Resultaten und im Benchmarking mit herkömmlichen Systemen ergab sich folgende Beurteilung: Der Piezomotor weist aufgrund des reibungsbasierten Prinzips ein mögliches Maximaldrehmoment auf, welches gleichzeitig dem stromlosen Haltemoment entspricht. Dieses fixiert die Ventilwelle im aktuellen Zustand ohne zusätzliche Bremskomponenten. Des weiteren ist der Piezomotor über den erforderlichen Arbeitsbereich temperatur- und lastmomentunabhängig. Der Energieverbrauch ist äquivalent zu den herkömmlichen Systemen. Aufgrund der im Test ermittelten Verschleißerscheinungen ist zu erwarten, dass die Lebensdauer des Motors bei diesem Einsatzzweck keinen limitierenden Faktor darstellt. Der Einsatz des Piezomotors erfordert kein nachgeschaltetes Getriebe, wodurch der mechanische Aufbau wesentlich vereinfacht und die Laufgeräusche reduziert wurden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Piezotechnologie die notwendigen Anforderungen bereits überwiegend erfüllt. Mit dem ER-15 Piezomotor konnte unter Laborbedingungen ein funktionsfähiger Prototyp entwickelt werden. Für den serientauglichen Einsatz müssen allerdings verschiedene anwendungsspezifische Adaptierungen erfolgen. Eine technisch vereinfachte und geräuschärmere Ventilsteuerung ist daher nach heutigem Stand der Technik möglich.

The amputation of a limb is an irreversible intervention into the physical and psychological integrity of a human being. Modern prosthesis can replace the missing body parts to a high degree and improve the improve the patients’ independence, mobility and quality of life. This thesis deals with the further development of microprocessor-controlled artificial knee joints. The core of such a prosthesis is a hydraulic system consisting of a cylinder and two valves. By changing the position of the valves, the damping resistances for extension as well as flexion can be continuously adjusted. In combination with the latest advances in sensor and control technology, individual motion resistance for stance and swing phases can be generated. This leads to a recreation of a lifelike physiological gait pattern. The valves need to be permanently adjusted corresponding to the motion sequence. Currently, small electromagnetic motors in combination with a gear are used. High positioning accuracy, quick and quiet motion, minimal construction and high durability are just a few of the stringent demands on the power train which have to be fulfilled. With the further development of piezo technology, the question arises whether piezo motors are an applicable and possible alternative to the conventional drive systems. The physical principle behind a piezo motor is the inverse piezoelectric effect. An electrical voltage applied to a piezoelectric material leads to a charge shift and causes a mechanical deformation of the material. This deformation can be used to create a linear or rotational movement. The aim of this thesis is the investigation of currently commercially available piezo motors with regard to their applicability in a simplified and quieter valve control system. A market analysis provided information of potential suitable piezo motors. Due to the suitable technical specifications and appropriate dimensions, the rotary piezo motor ER-15 from Nanomotion Ltd. was used. This motor works on the friction-based principle. Four parallel piezo elements act on a ceramic disc normal to the drive shaft and convert the elliptical vibration into a rotary motion. First the motor function and the control principle were analyzed. A special designed test bench in combination with a control interface implemented in MATLAB® made it possible to perform automated measurement procedures and tests under laboratory conditions. To evaluate the practicality for daily use, a commercial Otto Bock Genium® knee prosthesis was rebuilt with piezo motors in the power train. This prototype was tested in a gait simulator under application-oriented conditions. As a result of the measurements and benchmarked with conventional systems, the following conclusion emerged: Due to the friction-based principle, the piezo motor has a defined maximum drive torque, which corresponds also to the powerless holding torque. This fixes the valves in the current positions without any additional brake components. Furthermore, the piezo motor is independent of the ambient temperature and the load torque. The energy consumption is equivalent to the conventional systems. Due to the determined wear and abrasion phenomena during the different test measurement, it seems that the motor life time is not a limiting factor in this application. By using the piezo motor no gear is necessary. This simplifies the mechanical structure and, in addition, reduces the noise emission. In this thesis it was possible to prove that the piezo technology mostly fulfills the necessary requirements. With the ER-15 piezo motor it was possible to develop a functional prototype under laboratory conditions. In order to be able to use the technology in a future product, various adaptations – especially regarding the active drive torque – are necessary. From today’s perspective based on the state of the art of piezo technology, it is possible to realize a simplified and quieter valve control system.