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Leichtbauantriebe mit hohen Kräften für Orthesengelenke

Müller, Roman :
Leichtbauantriebe mit hohen Kräften für Orthesengelenke.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Leichtbauantriebe mit hohen Kräften für Orthesengelenke
Language: German
Abstract:

Leichtbauantriebe mit hohem Leistungs- zu Masseverhältnis sind für viele Anwendungen sehr wichtig. Vor allem aktive Orthesen und Exoskelette der unteren Extremitäten profitieren von leichtgewichtigen Antrieben, da so mobile Systeme realisiert werden können, die bei der Fortbewegung des Nutzers eine geringstmögliche Beeinträchtigung und somit eine hohe Nutzerakzeptanz gewährleisten. Im Rahmen dieser Arbeit werden Leichtbauantriebe erforscht, die synthetisch hergestellte Hochleistungsschnüre als leichtgewichtiges rotatorisch-translatorisches Getriebe nutzen. Das Funktionsprinzip basiert auf der einseitigen Rotation eines Schnurpaares, die die Kontraktion des Getriebes und eine Zugkraft zur Folge hat (Twisted String Actuator, TSA). Dieser Antriebstyp bietet eine hohe Kraftdichte und wird in einer aktiven Kniegelenk-Orthese zur Unterstützung älterer Menschen bei Transferbewegungen (sit-to-stand, STS und stair-climbing, STC) eingesetzt.

TSAs werden nach bisherigem Stand der Technik, der 53 bekannte aktive Orthesen und Exoskelette für das Kniegelenk umfasst, nicht eingesetzt. Die zu erfüllenden technischen Anforderungen des Antriebs ergeben sich aus der biomechanischen Analyse der Transferbewegungen. Demnach ist bei einer anteiligen Unterstützung ein Drehmoment von mindestens 30 Nm erforderlich. Die maximale Winkelgeschwindigkeit beträgt beim Gehen bis zu 7 rad/s und die mechanische Leistung ≈ 130 W. Dies resultiert in Antriebsanforderungen von 680 N Zugkraft bei einer relativen Kontraktion des Getriebes von ≈ 30 %.

Diese Anforderungen stellen eine hohe Belastung für Getriebe und eingesetztes Material dar und bedürfen einer sorgfältigen Auslegung des Getriebes, damit die gewünschte Lebensdauer erreicht wird. Mit dem Ziel der Reduktion der mechanischen Belastung im Getriebe wird das Antriebskonzept der achsparallelen Anordnung des Getriebes (Parallel Twisted String Actuator, PTSA) realisiert. Zur bestmöglichen Wahl der Getriebeparameter wird im Rahmen dieser Arbeit ein statistischer Versuchsplan zur Bestimmung des Einflusses der Parameter auf die Getriebelebensdauer durchgeführt und statistisch ausgewertet. Darauf aufbauend wird ein methodischer Ansatz entwickelt, der die Selektion einer geeigneten Schnur und der Parameter des Getriebes ermöglicht.

Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Charakterisierung von TSA und PTSA. Hierzu werden die Steifigkeit des Getriebes sowie das Übertragungsverhalten und der Wirkungsgrad der beiden Antriebsversionen (TSA und PTSA) bestimmt. Zudem werden die Kraftverteilung beim PTSA und die Lebensdauer der Getriebe untersucht.

Zum Einsatz in der aktiven Kniegelenk-Orthese sind zusätzlich zum Antrieb weitere Funktionselemente zwingend erforderlich, die eine geregelte Kraftunterstützung des Nutzers erst ermöglichen. Dies umfasst einen Bowdenzug zur Kraftleitung, eine Kurvenscheibe zur Kraftwandlung und einen Kraftsensor zur Messung der Zugkraft. Die einzelnen Funktionselemente werden systematisch ausgelegt und an einem mechanischen Modell der unteren Extremitäten charakterisiert. Es können je nach Antriebskonfiguration der Orthesen Unterstützungsdrehmomente von 45 Nm aufgebracht werden. Die maximale Drehmomentdichte der Antriebe beträgt 38 Nm/kg, sodass ein Antrieb mit geringer Masse (< 1 kg) die Realisierung der geforderten 30 Nm ermöglicht.

Die vorliegende Arbeit zeigt einen methodischen Ansatz zur systematischen Auslegung von TSA und PTSA. Weiterhin werden alle notwendigen Funktionselemente des Gesamtsystems mathematisch modelliert, ausgelegt und unter Berücksichtigung von Leichtbaumethoden gefertigt. Das Gesamtsystem wird charakterisiert und steht als Experimentierplattform für eine biomechanische Ganganalyse am Probanden zur Verfügung.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Lightweight actuators with a high power-to-weight ratio are important for many applications. Especially, active knee orthosis and exoskeletons for the support of lower limbs benefit from lightweight actuators. They enable a mobile application with low disturbance of the user during daily movements and, therefore, ensure a good user acceptance. This thesis focuses on lightweight actuators containing a rotational to translational gear made of synthetic high performance strings. The functional principle is based on twisting a pair of strings which results in the contraction of the gear and a pulling force (Twisted String Actuator, TSA). The lightweight actuator provides a high force density. It is integrated into an active knee orthosis to support elderly people during challenging movements like sit-to-stand (STS) and climbing stairs (STC). So far, TSAs are not used in state-of-the-art orthosis and exoskeletons which comprise 53 devices that support the knee. The requirements for the actuator are derived from the biomechanical analysis of daily human movements. According to the analysis, a supporting torque of 30 Nm is required for partial support of the knee. The maximum angular velocity of 7 rad/s occurs while walking and the maximum mechanical power is ≈ 130 W. The values lead to a pulling force of 680 N and a contraction of ≈ 30 %. The pulling force and the contraction cause a high mechanical stress in the strings. This requires a careful design of the gear to achieve the desired lifespan. To reduce the mechanical stress a parallel arrangement of the gear within the actuator (Parallel Twisted String Actuator, PTSA) is realized. The gear design parameters are chosen based on testing results using statistical methods (Design of Experiments, DoE). The tests identify the influence of design parameters on the gear’s lifespan. On this basis, a methodical approach to select the best suited string and design parameters is introduced. A further focus in this work is the characterization of both actuators (TSA and PTSA). For this purpose, the gear’s stiffness, transmission behaviour and efficiency are identified. Furthermore, the force distribution of parallel acting gears and the lifespan of the PTSA is examined. When the actuators are implemented in an active knee orthosis, additional mechanical components are essential to provide a controlled support torque for the user. The mechanical components include a Bowden cable for force transmission to the orthosis pivot joint, a cam disk for the conversion of the mechanical force and a force sensor to measure the actuator’s pulling force. The components are designed systematically and characterized with a mechanical model of the lower limbs. The actuators provide a supporting torque of 45 Nm depending on their configuration in the orthotic device. The maximum torque density of 38 Nm/kg enables an actuator of low mass (< 1 kg) to produce the required 30 Nm torque at the knee. In summary, this thesis shows a methodic approach for the systematic design of twisted string actuators. Furthermore, all necessary components for the application in an active knee orthosis are modelled mathematically and are designed and produced by applying methods for lightweight constructions. The knee orthosis and all its components are characterized and thereby made available for a biomechanical gait analysis with an experimentee in a gait analysis test laboratory.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 10 Oct 2017 10:03
Last Modified: 10 Oct 2017 10:03
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-68667
Referees: Schlaak, Prof. Dr. Helmut F. and Konigorski, Prof. Dr. Ulrich
Refereed: 17 July 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6866
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