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Design of an active foot for a smart prosthetic leg

Carli, Valerio :
Design of an active foot for a smart prosthetic leg.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Design of an active foot for a smart prosthetic leg
Language: English
Abstract:

The purpose of this project is the realisation of a prosthetic foot, able to adapt to the different conditions encountered by the patient during walking. The analysis of the human gait shows that a normal foot has the capability to assume an optimised shape. Coordinated movements of body parts, together with the shape assumed by the foot, result in minimising the energy expenditure during walking. Concerning the prosthetic foot, the bending stiffness of the plantar spring is the quantity to vary, in order to achieve the desired change in foot properties. Three different concepts are investigated: The first one deals with the possibility of adjusting the static response of the plantar spring of the foot by means of solid-state actuators. Piezoceramic patches are employed as active elements which are able to change the shape of the plantar spring. The second concept takes advantage of the property of a hollow beam with an ellipticalal cross- section. Depending on the value of the inner pressure applied, the ellipticalal cross-section deforms, resulting in a change in the moment of inertia of the cross-section itself. The deformation of the cross-section, due to the inner pressure, leads to an increased bending stiffness of the structure. The behaviour of an integrated structure made of a passive plate and of active beams is numerically and experimentally analysed. The third concept is based on the possibility of controlling the deformation of a flat hollow structure while under a bending load. The conventional plantar spring is replaced by a thin structure consisting of two parallel plates. The space between the plates is filled with a hydraulic fluid to generate inner pressure. Due to the shear stiffness of the structure, the bending load leads to the inward deformation of the plate assuming the shorter radius of curvature. The inner pressure stiffens the structure by controlling the inward displacement of the plate. A system for generating the pressure is presented. The system is activated by the patient and takes advantage of the work performed during the stance phase. The system is integrated in the foot structure and may replace the conventional ankle joint of the prosthetic foot.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Zweck dieser Arbeit ist die Realisierung eines prothetischen Fußes, der sich an den verschiedenen Bedingungen während des Laufens anpassen kann. Die Analyse der menschlichen Gehweise zeigt, dass der natürliche Fuß die Fähigkeit hat, eine optimierte Gestalt anzunehmen. Die optimierte Gestalt des Fußes zusammen mit anderen koordinierten Bewegungen der Körperteile führt zu einer Minimierung des Energieverbrauchs während des Laufens. Die Biegesteifigkeit der Basisfeder des prothetischen Fußes stellt die zu ändernde Größe dar, um die gewünschte Änderung der Fußeigenschaften zu erreichen. Drei verschiedene Konzepte werden untersucht: Das erste Konzept befasst sich mit der Möglichkeit, die statische Antwort der Basisfeder des Fußes mittels Festkörperaktoren zu ändern. Hierbei werden Piezokeramische Platten als aktive Elemente verwendet, welche dann in der Lage sind, die Gestalt der Basisfeder zu variieren. Das zweite Konzept nutzt die Eigenschaften eines hohlen Balkens mit einem elliptischen Querschnitt aus. Die Verformung des elliptischen Querschnitts erfolgt durch den applizierten Innendruck. Folge der elastischen Verformung ist die Erhöhung des Trägheitsmoments des Querschnitts. Wegen der durch den Innendruck generierten Verzerrung des Querschnitts, wird die Biegesteifigkeit der Struktur erhöht. Das mechanische Verhalten einer aus passiver Platte und aktiven Balken bestehenden integrierten Struktur wird numerisch und experimentell untersucht. Das dritte Konzept beruht auf der Möglichkeit, die Verformung einer mit einer Biegekraft belasteten flachen, hohlen Struktur zu kontrollieren. Die herkömmliche Basisfeder wird durch eine aus zwei Platten bestehende dünne Struktur ersetzt. Um den Innendruck zu erzeugen, wird der Raum zwischen den Platten mit Hydrauliköl gefüllt. Infolge der Schubsteifigkeit der Struktur, führt die Biegelast dazu, dass die Platte, die den kürzeren Krümmungsradius annimmt, sich nach innen verformt. Die Versteifung der Struktur erfolgt durch die durch den Innendruck kontrollierte Verformung der Platte. Es wird ein System entworfen, um den Druck zu erzeugen. Das System wird vom Patienten selbst aktiviert und nutzt die während der Standphase durchgeführte Arbeit aus. Das System wird in die Fußstruktur integriert und kann das herkömmliche Knöchel-Gelenk des prothetischen Fußes ersetzen.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000891
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8918
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hanselka, Prof. Dr.- Holger and Nordmann, Prof. Dr.- Rainer
Advisors: Hanselka, Prof. Dr.- Holger
Refereed: 12 December 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/891
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