Robuste phasenbasierte Prothesenfußregelung und biologisch inspirierte Gelenkkopplung

• Antragsteller: Dr. Martin Grimmer; Professor Dr.-Ing. Ulrich Konigorski
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 394182789

Die menschliche Fortbewegung ist das Resultat eines faszinierenden Zusammenspiels zwischen Körpermechanik, Antriebsdynamik und nervaler Kontrolle. Bei Verlust der unteren Extremität und dem Ersatz durch passive Prothesen kommt es zu Einschränkungen in Flexibilität, Bewegungsumfang und energetischem Unterstützungsgrad. Um diese Probleme zu reduzieren, haben Wissenschaftler in den letzten Jahren aktive Prothesen entwickelt, welche das menschliche Gelenkverhalten nachbilden.Aktuelle Studien zeigen, dass aktive Prothesenfüße den Bewegungsumfang und die Leistungskurven des menschlichen Sprunggelenks beim Gehen reproduzieren können. Auf regelungstechnischer Ebene sind weitere Forschungsarbeiten notwendig, um möglichst viele verschiedene Bewegungen im Alltag sicher erkennen und unterstützen zu können. Als besonders robuste Ansätze für Unterschenkelprothesen werden phasenbasierte Regelungen betrachtet. Diese basieren auf den Invarianten des menschlichen Ganges und stellen einen bijektiven Zusammenhang zwischen den kinematischen Größen und der Gangphase her, aus welcher Führungsgrößen zur Regelung der Aktorik ermittelt werden. Damit sind phasenbasierte Ansätze besonders robust bei azyklischen Bewegungen und Veränderung der Gangparameter. Phasenbasierte Regelungen für Prothesenfüße existieren in der Literatur für Stehen, ebenes Gehen und Rennen. Das erste Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer phasenbasierten Regelung, welche neben Stehen und ebenem Gehen auch Treppensteigen und sichere Übergänge zwischen den genannten Gangarten ermöglicht. Die nötigen Daten für die anvisierte Regelung sollen in Experimenten an einem instrumentierten Treppensystem aufgenommen werden.Eine aktuelle Studie mit dem BiOM Prothesenfuß zeigt, dass trotz der Verbesserungen im Sprunggelenk weiterhin erhöhte Belastungen und Asymmetrien in den verbliebenen körpernahen Gelenken existieren. Die Autoren der Studie argumentieren, dass dieses Phänomen aufgrund der monoartikulären Aktuierung der Prothese auftritt. Beim Menschen existiert zusätzlich zur monoartikulären Kopplung von Unterschenkel und Ferse (Soleus Muskel) eine biartikuläre Kopplung zwischen Oberschenkel und Ferse (Gastrocnemius Muskel), welche in der Umsetzung aktueller Prothesen nicht berücksichtigt wird.Neben der phasenbasierten Regelung soll ein Prototyp für eine neuartige bionisch inspirierte Prothese entworfen werden, welche neben dem monoartikulären Soleus Muskel auch die Funktion des biartikulären Gastrocnemius Muskels nachbildet. Das Konzept stimmt damit besser mit dem biologischen Bein überein als existierende monoartikuläre Prothesen. Das zweite Ziel des Forschungsvorhabens ist daher, mithilfe des neuartigen Prototyps ein möglichst gesundes Gangbild für ebenes Gehen zu erzeugen. Für erste Untersuchungen werden dabei konstante Geschwindigkeiten betrachtet und der Fokus auf die optimale Vorgabe der notwendigen Aktorkräfte gelegt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen