Variable Torsionssteifigkeit in Unterschenkelprothesen zur aktiven Unterstützung in dynamischen Gangsituationen

Menschen mit Amputationen benötigen adäquate Hilfsmittel zur Wiederherstellung ihrer Mobilität und folglich der Teilnahme am aktiven Leben. Bei Beinamputierten ist der Schaft, als Schnittstelle von Prothese zu Beinstumpf, für den Gangkomfort maßgeblich verantwortlich. Gangrichtungswechsel führen dort durch die hohe Gangdynamik zu besonders kritischen Belastungen am Beinstumpf. In der Vergangenheit konzentrierten sich die Entwicklungen in der Beinprothetik wesentlich auf die Unterstützung der Nutzer bei geradem Gehen und Überwinden von Höhendifferenzen. Folglich stehen aktuell semi-aktive sowie aktive Produkte dafür zur Verfügung. Für Richtungswechselsituationen existieren rein passive Rotationsadapter, welche über eine fest definierte Torsionssteifigkeit die auftretenden Scherkräfte reduzieren. In dieser Arbeit wird der Einfluss auf die Belastungen in der Beinprothese untersucht, welche ungemindert an den Stumpf weitergeleitet werden. Dazu werden zwei Parameter variiert: transversale Torsionssteifigkeiten und Fußwinkelstellung (internal/external) Für dieses Teilziel wird ein Messsystem entwickelt und realisiert, welches in Beinprothesen implementiert werden kann. Es erfasst die dort auftretenden Belastungen sowie die Bewegungen der Prothese in den sechs Freiheitsgraden. Unter Verwendung des Messsystems wird eine Probandenstudie mit zwei Unterschenkelamputierten durchgeführt. Die Analyse erfolgt unter Kopplung der subjektiven Probandenrückmeldungen und der objektiven Messwerte. Analyseergebnisse stellen direkte Korrelationen von Messwertverläufen zum Komfortempfinden dar. Daraus werden Setup-Matrizen für eine optimierte Einstellung von Torsionssteifigkeit und Fußwinkel in Abhängigkeit der Bewegungssituation (Gangphase, -geschwindigkeit und -richtung) erstellt. Mit Nutzung dieser Ergebnisse kann ein Rotationsadapter mit variabler Torsionssteifigkeit und Fußwinkelstellung eine Belastungsreduktion am Stumpf und somit eine Steigerung des Gangkomforts in dynamischen Gangsituationen bewirken. Für die Entwicklung eines Prototyps für ein solches System wird der Ansatz der Mensch-Maschine-zentrierten Entwicklungsmethode genutzt. Hierbei werden nutzerrelevante und technische Faktoren berücksichtigt, um die Entwicklungsschwerpunkte zu ermitteln und zu priorisieren. Aus der Methode resultierend, erweisen sich die Gangerkennung, Parameterauswahl für das Systemverhalten sowie der Antrieb als besonders relevant. Zur Gangerkennung wird ein sensorminimaler Ansatz vorgestellt. Zwei mittels einer Inertial-Messsensorik erfasste Unterschenkelwinkelgeschwindigkeiten dienen dem entwickelten Algorithmus zur Erkennung der Informationen von Gangphase und –geschwindigkeit sowie der Differenzierung der Gangrichtung. Zur Validierungen der Gangphasen- und Ganggeschwindigkeitserkennung werden Ganganalysen mit zwölf Nichtamputierten auf einem Laufband in einem Ganglabor durchgeführt. Die Differenzierung der Gangrichtung wird mittels einer Messorthese in freier Umgebung durch zwei Parcours erfolgreich validiert. Nach Erhebung und Definition der Systemanforderungen und -verhalten erfolgt die Ausarbeitung eines prototypischen Rotationsadapters mit variabler Torsionssteifigkeit und Fußwinkelstellung. Als Antriebskonzepte werden dem Direktantrieb seriell-elastische sowie parallel-elastische Antriebe auf Basis eines realitätsnahen Testzykluses gegenübergestellt. Der parallel-elastische Antrieb zeigt eine bessere Eignung in Bezug auf Maximalleistung und Energieverbrauch und wird in Form eines Gleichstrommotors, mit Torsionsfedern kombiniert, in einem Prototyp realisiert. Die Hardware des Prototyps und dessen Software zur Parameterauswahl und Sollgrößenadaption wird realisiert und gesamtheitlich auf einem Prüfstand validiert. Abschließend erfolgen Funktionstests mit fünf amputierten Probanden. Die Probanden berichten von einer guten Funktionalität des in dieser Arbeit entwickelten Systems und über eine spürbare Belastungsreduktion und Mobilitätssteigerung in dynamischen Gangsituationen