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Powered Lower Limb Prostheses

Grimmer, Martin :
Powered Lower Limb Prostheses.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Grimmer Martin 2015 Dissertation Powered Lower Limb Prostheses - Text (PDF)
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Powered Lower Limb Prostheses
Language: English
Abstract:

Human upright locomotion emerged about 6 million years ago. It is achieved by a complex interaction of the biological infrastructure and the neural control. Bones, muscles, tendons, central nervous commands and reflex mechanisms interact to provide robust and efficient bipedal movement patterns like walking or running. Next to these locomotion tasks humans can also perform complex movements like climbing, dancing or jumping. Diseases or traumatic events may cause the loss of parts of the biological infrastructure or the ability to control the lower limbs. Thus an identification of the required framework helps to improve on the artificial lower limb design and the control for bipedal robots, exoskeletons, orthoses or prostheses. A first artificial leg design was reported about 5000 years ago. After losing one leg in a battle an iron leg was fitted to Queen Vishpla to get her back on the battlefield. Since this time major changes in the structure, the material and the functionality led to improved prosthetic restoration of physically disabled. The characteristics of the biological leg structure are imitated by technical components. Using carbon fiber for the design of prosthetic feet made it possible to benefit from the elastic recoil like in the Achilles tendon in stance phase. Dampers in prosthetic knee joints are able to mimic eccentric muscle work during the gait cycle. Clutch-like mechanisms are used to lock the knee during stance. Such a function is comparable to isometric muscle work. Semiactive knee joints allow changes in damping ratio to adapt the mechanical joint properties to the requirements. Using integrated force or inertial sensors, movement tasks can be identified. An adaptation of damping to different walking speeds and conditions, such as walking inclines, declines, or climbing stairs is possible. All these developments permitted that amputees gait got closer to the natural human gait pattern. However, until the end of the 20th century prostheses were not able to reproduce concentric muscle work. External positive energy is required to compensate for energy losses during locomotion. For climbing stairs or walking inclines not only the ankle, but also the knee joint contributes net positive work to lift the body center of mass. To achieve desired joint motion, a power source like a motor would be required that can inject energy to mimic the concentric function of the muscle fascicles. The thesis comprises an analysis of joint requirements, it evaluates the current prosthetic design approaches and develops models on artificial muscles to mimic lower limb biomechanics in walking and running. The developed models are biologically inspired, while motors represent the function of muscle fibers and springs represent the function of the tendons. These systems are optimized for criteria like minimum joint peak power or minimum required energy for the power source (motor). Results demonstrate that elastic elements can highly decrease the actuator requirements. The springs are able to store energy in one phase of the gait cycle and to release it later when high peak power is required. Without the elastic assistance the reproduction of human joint behavior is hardly possible using current motor technology. The optimized interaction of motor and elasticity is evaluated in walking and running, using a prototype of a powered ankle prosthesis (Walk-Run ankle, Springactive). Next to experiments with a nonamputee, where the prosthesis was fitted in parallel to the fixed healthy ankle joint (Bypass), also experiments with a female unilateral transtibial amputee were performed. The optimized model behavior was compared to experimental observations and showed good agreement. Furthrmore, a concept on the improvement of an optimized walking motor pattern was successfully tested. By smoothening the motor curve to the main characteristics (low-pass filter) it was possible to increase the mechanical work output, to improve the system efficiency, and to decrease the electrical energy consumption and the noise. To further improve the prosthetic performance, the push off timing and the causes for prosthesis noise should be analyzed. Weight reductions and psychoacoustic analysis can additionally help to improve on the amputees acceptance. In addition it must be evaluated how training can effect amputees gait patterns when using powered prostheses. To further reduce the power and the energy requirements, an improvement on the powered prosthesis efficiency is recommended. The efficiency can be further increased by using higher efficiency parts and improving the interaction of the prosthesis and the amputee. The human - machine interaction depends on the prosthesis mechanics and the control algorithm. Similar to the human biarticular muscles, couplings from biological to artificial joints may provide additional benefits for the amputee. The muscles from existing proximal joints would be able to transfer energy to the distal artificial joints. Also the inverse of this principle would be possible. A coupling between the hip and the knee (transfemoral amputees) and between the knee and the ankle (transfemoral and transtibial amputees) would be possible. Due to geometrical constraints, the elemental locomotion control might improve. The results of the thesis, on the efficient cooperation of motors and springs, can be used to improve the design and the control of powered lower limb prostheses. Similar technologies can be used to improve on exoskeleton design to assist elderly and subjects with mobility impairments. Elastic exoskeletons may also augment human performance in daily life or workers environments. Next to assisting the human movement, the elastic actuators may advance the gait performance, the gait robustness, and the operation time of bipedal robots. Thus the results of the thesis Powered Lower Limb Prostheses are not limited to the specific field of prosthetics but may also be useful for applications like exoskeletons and legged robots.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der aufrechte Gang des Menschen entstand vor etwa 6 Millionen Jahren. Er wird durch eine komplexe Interaktion von Körperaufbau und Gangkontrolle ermöglicht. Knochen, Muskeln, Sehen, zentralnervöse Befehle und Reflexmechanismen befähigen zu einer robusten und effizienten zweibeinigen Fortbewegung wie dem Gehen und Rennen. Neben diesen Arten der Fortbewegung sind dem Menschen auch komplexe Bewegungen wie Klettern, Tanzen oder Springen möglich. Die Identifikation der relevanten Grundprinzipien des Baus und der Kontrolle seines Bewegungsapparates kann bei der Konstruktion von zweibeinigen Robotern, Exoskeletten, Orthesen und Prothesen helfen. Krankheiten oder Unfälle können zum Verlust von Teilen der unteren Extremität oder deren Ansteuerung führen. Der älteste Bericht über ein künstliches Bein ist etwa 5000 Jahre alt und beschreibt den Verlust eines Beines von Königin Vishpla. Um auf das Schlachtfeld zurückzukehren, wurde sie mit einem eisernen Bein versorgt. Seit dieser Zeit haben Fortschritte den Aufbau, das Material und die Funktion prothetischer Versorgungen deutlich verbessert. Zunehmend werden biologische Wirkmechanismen durch technische Komponenten imitiert. Die Verwendung von Kohlefasern in Prothesenfüßen ermöglicht eine Unterstützung im Gang durch den elastischen Rückstoß vergleichbar einer Achillessehne. Dämpfer in Knieprothesen ermöglichen die Abbildung von exzentrischer Muskelarbeit im Gang. Kupplungsmechanismen werden zum Blockieren der Kniebeugung im Stand eingesetzt. Diese Funktion ist vergleichbar mit isometrischer Muskelarbeitsweise. Semi-aktive Kniegelenke erlauben eine Variation der Dämpfung und passen ihre Systemeigenschaften den Anforderungen an. Unter Zuhilfenahme der eingebauten Kraft- oder Inertialsensoren kann die Bewegungsabsicht identifiziert werden. So wird eine Anpassung der Dämpfung auf verschiedene Gehgeschwindigkeiten, auf Steigungen oder Treppen möglich. All diese Entwicklungen haben das Gangbild der Amputierten näher an das natürliche Gangbild herangeführt. Jedoch war keines der Systeme in der Lage konzentrische Muskelarbeit abzubilden. Die bereitgestellte positive Muskelarbeit wird benötigt, um Energieverluste bei der Fortbewegung auszugleichen. Zum Steigen von Treppen und Begehen von Steigungen muss nicht nur das Sprunggelenk, sondern auch das Kniegelenk positive Arbeit zum Anheben des Körperschwerpunktes verrichten. Zur Umsetzung der angestrebten Gelenkbewegung ist ein Antrieb nötig, welcher einen Energieeintrag ermöglicht und damit die konzentrische Funktionsweise von Muskelfasern nachbilden kann. Die Dissertation analysiert Gelenkanforderungen, evaluiert aktuelle prothetische Konzepte und entwickelt Modelle für künstliche Muskeln, um die Biomechanik der unteren Extremitäten beim Gehen und Rennen abzubilden. Die entwickelten Modelle sind biologisch inspiriert, wobei Motoren die Funktion von Muskelfasern und Federn die Funktion von Sehnen nachbilden. Die Systeme sind dabei nach Kriterien wie einer minimalen Motorleistung oder einem minimalen Energieverbrauch optimiert. Die Resultate zeigen, dass elastische Strukturen deutlich zur Reduzierung von Motoranforderungen beitragen können. Federn sind in der Lage, Energie in einer Phase des Gangzyklus aufzunehmen, um diese dann bei hohen Anforderungen wieder abzugeben. Ohne die elastische Unterstützung ist das Nachahmen des menschlichen Gelenkverhaltens mit aktueller Motorentechnologie nur eingeschrÃd’nkt möglich. Die im Model optimierte Interaktion von Motor und Feder wird mit einer angetriebenen Fußprothese (Walk-Run ankle, Springactive) beim Gehen und Rennen untersucht. Neben Experimenten mit einem Nichtamputierten, bei dem die Prothese parallel zu einem fixierten Sprunggelenk angebracht war (Bypass), wurden auch Studien mit einer einseitig Unterschenkelamputierten durchgeführt. Das optimierte Modellverhalten zeigt eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Ein Konzept zur Verbesserung eines optimierten Motorverhaltens wurde erfolgreich geprüft. Durch die Vereinfachung der Motortrajektorie auf grundlegende Verlaufsmerkmale (Filter) war es möglich die mechanische Energieabgabe und die Effizienz der Prothese zu steigern und den elektrischen Energieaufwand und die Geräuschemission zu reduzieren. Um das Verhalten der Prothese weiter zu verbessern sollten das Timing für den Fußabdruck und Gründe für die Geräuschemission analysiert werden. Eine Gewichtsreduktion und psychoakustische Analysen können helfen die Akzeptanz bei Amputierten zu erhöhen. Zusätzlich müssen Trainingseffekte bei der Nutzung von aktiven Prothesen untersucht werden. Um den Leistungsbedarf und den Energieverbrauch zusätzlich zu reduzieren ist eine Steigerung der Effizienz von aktiven Prothesen sinnvoll. Dies kann durch effizientere Komponenten und durch eine Optimierung des Interaktionsverhaltens zwischen Prothese und Prothesennutzer erreicht werden. Die Mensch - Maschine Interaktion ist von der bereitgestellten Mechanik und dem Ansteuerungskonzept abhängig. Vergleichbar mit zweigelenkigen Muskeln könnte eine Kopplung von gesunden zu künstlichen Gelenken zusätzliche Vorteile bringen. Bei Oberschenkelamputierten wäre solch eine Kopplung auch zwischen dem künstlichen Knie- und dem künstlichen Sprunggelenk möglich. Muskeln von existierenden proximalen Gelenken wären in der Lage, Energie zu den distalen Gelenken zu übertragen. Durch die geometrisch bedingte Verspannung könnte der Aufwand für die grundlegende Beinkontrolle beim Gang reduziert werden. Die Ergebnisse der Dissertation, zur effizienten Interaktion von Motoren und Federn, können zur Verbesserung vom Aufbau und der Ansteuerung angetriebener Prothesen beitragen. Vergleichbare Konzepte können aber auch zur Verbesserung von Exoskeletten eingesetzt werden. Diese könnten ältere Mitmenschen und Personen mit Mobilitätseinschränkungen bei der Fortbewegung unterstützen. Eine Verstärkung der menschlichen Physis für den Alltag oder das Arbeitsumfeld wäre denkbar. Neben der Unterstützung des Menschen könnten elastische Aktuatoren zudem das Gangverhalten, die Robustheit und die Laufzeit von zweibeinigen Robotern verbessern. Damit sind die Ergebnisse der Arbeit Powered Lower Limb Prostheses – Angetriebene Prothesen für die untere Extremität nicht nur auf das Anwendungsfeld der Prothetik limitiert sondern auch relevant für die Entwicklung von Exoskeletten und Robotern. German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: prostheses, amputee, walking, running, bionic limb, power, energy, spring, elasticity
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Prothese, Amputation, Gehen, Rennen, Bionik, Leistung, Energie, Feder, elastischGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Mechatronic Systems in Mechanical Engineering (IMS)
03 Department Human Sciences > Institut für Sportwissenschaft
Study Areas > Study Area Mechatronics
Date Deposited: 19 Feb 2015 08:25
Last Modified: 19 Feb 2015 08:25
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43820
Referees: Seyfarth, Prof. Dr. André and Sugar, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 5 February 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4382
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