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Konzeptentwicklung und Parameteridentifikation eines biomechanischen Modells der Stumpf-Schaft-Schnittstelle von Beinprothesen

Noll, Veronika :
Konzeptentwicklung und Parameteridentifikation eines biomechanischen Modells der Stumpf-Schaft-Schnittstelle von Beinprothesen.
Technische Universität, Darmstadt
[Master Thesis], (2015)

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Item Type: Master Thesis
Title: Konzeptentwicklung und Parameteridentifikation eines biomechanischen Modells der Stumpf-Schaft-Schnittstelle von Beinprothesen
Language: German
Abstract:

Im Rahmen dieser Masterarbeit wird ein biomechanisches Modell zur Abbildung der Interaktion der Stumpf-Schaft-Schnittstelle von Beinprothesen in der Sagittalebene entwickelt. Dabei wird ein experimenteller Modellierungsansatz verfolgt. Durch die Erhebung von Referenzdaten und deren Auswertung wird das charakterisierende Übertragungsverhalten der Schnittstelle ermittelt. Dabei werden als Prozessgrößen sowohl die Belastungen am distalen Schaftende als auch die daraus resultierende Relativbewegung zwischen Beinstumpf und Prothesenschaft betrachtet. Die auftretenden Belastungen werden mit Hilfe eines Messadapters erfasst, der in den Prothesenaufbau integriert werden kann. Zur Ermittlung der Relativbewegung wird das optische Messverfahren des markerbasierten Trackings verwendet. Zu der Modellierung der Schnittstelle in der Sagittalebene gehören drei Freiheitsgrade: Zwei Translationen und eine Rotation. Für den Kraftverlauf in Beinachsenrichtung werden in der Standphase die typischen Verläufe mit zwei Belastungsmaxima, resultierend aus der Auftritts- und Abstoßenergie, ermittelt. Dementsprechend sinkt der Stumpf bis zu 5 mm tiefer in den Schaft hinein. Auch in Laufrichtung lassen sich Relativbewegungen von bis zu 6 mm registrieren. Die ermittelten Werte der Relativverdrehung liegen mit 2° im Bereich des Messrauschens, sodass für diesen Freiheitsgrad kein Modell entwickelt wird. Unter Berücksichtigung existierender rheologischer Topologien werden Modellkonzepte zur Abbildung des Interaktionsverhaltens der Stumpf-Schaft-Schnittstelle aufgestellt. Mittels der Referenzdaten werden Parameteridentifikationen durchgeführt und die Modelle hinsichtlich ihrer Güte bewertet. Auf diese Weise erfolgt die Identifikation passender Modellstukturen. Aufgrund der unterschiedlichen Korrelationskoeffizienten der Prozesssignale und deren Ableitungen ergeben sich für die Freiheitsgrade Modelle unterschiedlicher Güte, die abschließend hinsichtlich ihrer Robustheit gegenüber verschiedenen Einflussfaktoren evaluiert werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis develops a biomechanical model which simulates the interaction of the stump-socket interface of a lower limb prostheses in the sagittal plane. The approach used follows the idea of experimental modelling. Collecting and evaluating reference data determines the transmission characteristics of the interface. The process variables considered are both the loads at the distal end of the sockets and the resulting relative movement between the residual limb and the prosthetic socket. The loads which occur are recorded by means of a measurement adapter which can be integrated into the prosthetic structure without disturbing its alignment. The relative movement between stump and socket is calculated by analyzing the data collected by motion capturing. The modelling of the interaction in the sagittal plane at the stump-socket interface considers three degrees of freedom, two translations and one rotation. The force pattern in proximo-distal direction (axis through ankle and knee) shows the typical curve expected for vertical ground reaction force with two maxima, resulting from the impact and repulsion energy. As would be expected, the stump sinks up to 5 mm deeper into the socket. In the anterior-posterior direction, relative movements of up to 6 mm were registered. The values determined for the relative rotation are within normal measurement tolerance (2°), thus no model for the rotational degree of freedom was developed. Taking into account existing topologies of rheological models, conceptual models are created which simulate the interaction of the stump-socket interface. Parameter identifications are performed using the reference data and the different models are qualitatively evaluated. Due to the particular correlationcoefficients of the process signals (and their derivatives), the calculated models differ qualitatively. Finally, the robustness of the calculated models, and their parameters, are assessed in juxtaposition to various influencing factors.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Biomechanik Beinprothetik Unterschenkelamputation Relativbewegung Stumpf-Schaft-Schnittstelle Experimentelle Modellbildung Identifikation Stumpf-Schaft-Schnittstelle
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Mechatronic Systems in Mechanical Engineering (IMS)
Date Deposited: 19 Mar 2015 14:00
Last Modified: 19 Mar 2015 14:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44490
Referees: Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan
Refereed: 21 July 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4449
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