Design of an active foot for a smart prosthetic leg

Carli, Valerio (2007)
Design of an active foot for a smart prosthetic leg.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

URL / URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8918

Kurzbeschreibung (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.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2007

Autor(en):

Carli, Valerio

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Design of an active foot for a smart prosthetic leg

Sprache:

Englisch

Referenten:

Hanselka, Prof. Dr.- Holger ; Nordmann, Prof. Dr.- Rainer

Berater:

Hanselka, Prof. Dr.- Holger

Publikationsjahr:

22 November 2007

Ort:

Darmstadt

Verlag:

Technische Universität

Datum der mündlichen Prüfung:

12 Dezember 2006

URL / URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-8918

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

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.

Deutsch

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik (SAM)

Hinterlegungsdatum:

17 Okt 2008 09:22

Letzte Änderung:

26 Aug 2018 21:25

PPN:

Referenten:

Hanselka, Prof. Dr.- Holger ; Nordmann, Prof. Dr.- Rainer