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Human-machine-centered design and actuation of lower limb prosthetic systems

Beckerle, Philipp:
Human-machine-centered design and actuation of lower limb prosthetic systems.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4307/ ]
Forschungsberichte Mechatronische Systeme im Maschinenbau. Shaker Verlag, Aachen ISBN 978-3844031928
[Buch], (2014)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4307/

Kurzbeschreibung (Abstract)

People with lower limb loss or congenital limb absence require a technical substitute that restores biomechanical function and body integrity. In the last decades, mechatronic prostheses emerged and especially actuated ones increased the biomechanical functionality of their users. Yet, various open issues regarding the energy efficiency of powered systems and the impact of user-experience of the prosthesis on technical design remain. As tackeling the latter aspect urgently requires the consideration of user demands, this thesis proposes a novel human-machine-centered design (HMCD) approach for lower limb prosthetics. Further, it contributes to the design and control of elastic (prosthetic) actuation.

The HMCD approach describes a framework that equally considers technical and human factors. Therefore, seven human factors influencing lower limb prosthetic design are determined, analyzed, and modeled using human survey data: Satisfaction, Feeling of Security, Body Schema Integration, Support, Socket, Mobility, and Outer Appearance. Based on the application of quality function deployment (QFD), those factors can be considered as a HMCD focus in systems engineering. As an exemplary application, a powered prosthetic knee concept is elaborated with the HMCD approach. The comparison of the HMCD focus with a purely technical one, which is determined with a control group, reveals distinct differences in the weighting of requirements. Hence, the proposed method should lead to different prosthetic designs that might improve the subjective user-experience. To support this by integrating users throughout the systems engineering process, two concepts for human-in-the-loop experiments are suggested.

As an enabling technology of powered lower limb prostheses, variable (series) elastic actuation and especially such with variable torsion stiffness (VTS) is investigated. Inverse dynamics simulations with synthetic and human trajectories as well as experiments show that the consideration of the actuator inertia is crucial: Only by including it in advanced models, the whole range of natural dynamics and antiresonance can be exploited to minimize power consumption. A corresponding control strategy adapts the actuator to achieve energy efficiency over a wide range of operational states using these models.

The exemplary design of the powered prosthetic knee with respect to the HMCD prioritization of requirements confirms the fundamental suitability of VTS for integration in prosthetic components. In this, considering actuator inertia enables the determination of an optimal stiffness for serial elastic actuation of the human knee during walking that is not found in previous studies. A first simulation considering the changed dynamics of prosthetic gait indicates the potential to reveal lower design requirements. The designed knee concept combines promising biomechanical functionality and long operating time due to elastic actuation and energy recuperation.

Beyond lower limb prosthetics, the proposed HMCD framework can be used in other applications with distinct human-machine interrelations by adjusting the human and technical factors. Likewise, the insights into variable elastic actuation design and control can be transferred to other systems demanding energy-efficient performance of cyclic tasks.

Typ des Eintrags: Buch
Erschienen: 2014
Herausgeber: Rinderknecht, Stephan
Autor(en): Beckerle, Philipp
Titel: Human-machine-centered design and actuation of lower limb prosthetic systems
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

People with lower limb loss or congenital limb absence require a technical substitute that restores biomechanical function and body integrity. In the last decades, mechatronic prostheses emerged and especially actuated ones increased the biomechanical functionality of their users. Yet, various open issues regarding the energy efficiency of powered systems and the impact of user-experience of the prosthesis on technical design remain. As tackeling the latter aspect urgently requires the consideration of user demands, this thesis proposes a novel human-machine-centered design (HMCD) approach for lower limb prosthetics. Further, it contributes to the design and control of elastic (prosthetic) actuation.

The HMCD approach describes a framework that equally considers technical and human factors. Therefore, seven human factors influencing lower limb prosthetic design are determined, analyzed, and modeled using human survey data: Satisfaction, Feeling of Security, Body Schema Integration, Support, Socket, Mobility, and Outer Appearance. Based on the application of quality function deployment (QFD), those factors can be considered as a HMCD focus in systems engineering. As an exemplary application, a powered prosthetic knee concept is elaborated with the HMCD approach. The comparison of the HMCD focus with a purely technical one, which is determined with a control group, reveals distinct differences in the weighting of requirements. Hence, the proposed method should lead to different prosthetic designs that might improve the subjective user-experience. To support this by integrating users throughout the systems engineering process, two concepts for human-in-the-loop experiments are suggested.

As an enabling technology of powered lower limb prostheses, variable (series) elastic actuation and especially such with variable torsion stiffness (VTS) is investigated. Inverse dynamics simulations with synthetic and human trajectories as well as experiments show that the consideration of the actuator inertia is crucial: Only by including it in advanced models, the whole range of natural dynamics and antiresonance can be exploited to minimize power consumption. A corresponding control strategy adapts the actuator to achieve energy efficiency over a wide range of operational states using these models.

The exemplary design of the powered prosthetic knee with respect to the HMCD prioritization of requirements confirms the fundamental suitability of VTS for integration in prosthetic components. In this, considering actuator inertia enables the determination of an optimal stiffness for serial elastic actuation of the human knee during walking that is not found in previous studies. A first simulation considering the changed dynamics of prosthetic gait indicates the potential to reveal lower design requirements. The designed knee concept combines promising biomechanical functionality and long operating time due to elastic actuation and energy recuperation.

Beyond lower limb prosthetics, the proposed HMCD framework can be used in other applications with distinct human-machine interrelations by adjusting the human and technical factors. Likewise, the insights into variable elastic actuation design and control can be transferred to other systems demanding energy-efficient performance of cyclic tasks.

Reihe: Forschungsberichte Mechatronische Systeme im Maschinenbau
Ort: Aachen
Verlag: Shaker Verlag
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Maschinenbau
Fachbereich Maschinenbau > Mechatronische Systeme im Maschinenbau (IMS)
Zentrale Einrichtungen > Forschungsprojekte Prothetik
Zentrale Einrichtungen
Hinterlegungsdatum: 28 Dez 2014 20:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4307/
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43077
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Menschen mit Beinamputation oder angeborener Beinverkürzung benötigen einen technischen Ersatz, der biomechanische Funktion und Körperintegrität wiederherstellt. Mit der Entwicklung mechatronischer und speziell aktuierter Prothesen wurde die biomechanische Funktionalität der Nutzer in den letzten Jahrzehnten erweitert. Dennoch verbleiben offene Fragen bezüglich der Energieeffizienz von aktuierten Prothesen und zum Einfluss des Nutzererlebens von Prothesen auf deren technische Entwicklung. Da die Bearbeitung des zweiten Aspekts die Berücksichtigung von Nutzeranforderungen dringend benötigt, schlägt diese Arbeit einen neuartigen Ansatz zur Mensch-Maschine-zentrierten Entwicklung (MMZE) in der Beinprothetik vor. Sie liefert zudem Beiträge zum Entwurf und der Regelung von elastischen (Prothesen-)antrieben. Der Ansatz zur MMZE stellt ein Rahmenwerk zur gleichwertigen Berücksichtigung von Human Factors und technischen Aspekten dar. Dazu werden sieben Human Factors mit erhobenen Daten bestimmt, analysiert und modelliert: Zufriedenheit, Sicherheitsempfinden, Körperschemaintegration, Unterstützung, Schaft, Mobilität und Außenwirkung. Durch die Anwendung von Quality Function Deployment (QFD) finden diese Faktoren im Systems Engineering als MMZE-Schwerpunkt Berücksichtigung. Als Anwendungsbeispiel dient hierbei die Konzeptionierung eines aktuierten Prothesenknies mit dem MMZE-Ansatz. Der Vergleich des MMZE-Schwerpunkts mit einem rein technischen, der mit einer Kontrollgruppe erarbeitet wurde, zeigt deutliche Unterschiede in der Priorisierung von Anforderungen. Demnach sollte die vorgeschlagene Methodik zu neuartigen technischen Lösungen führen, die das subjektive Erleben von Beinprothesennutzern verbessern könnten. Um dies durch die Einbeziehung der Nutzer im gesammten Systems Engineering zu unterstützen, werden zwei Konzepte für Human-in-the-loop Experimente vorgeschlagen. Als Grundlagentechnologie für aktuierte Beinprothesen werden variable (seriell-) elastische Aktuatoren und besonders solche mir variabler Torsionssteifigkeit (VTS) untersucht. Rückwärtsdynamik-Simulationen mit synthetischen und am Menschen gemessenen Trajektorien sowie Experimente zeigen, dass die Berücksichtigung der Aktorträgheit hierbei von entscheidender Bedeutung ist: Nur durch ihre Einbeziehung in erweiterte Modelle können Eigendynamik und Antiresonanz zur Senkung des Leistungsverbrauches ausgenutzt werden. Eine entsprechende Regelungsstrategie passt auf Basis dieser Modelle den Aktuator für einen effizienten Betrieb über einen breiten Bereich an. Die beispielhafte Konzeptionierung der aktuierten Knieprothese anhand der MMZE-Priorisierung bestätigt die grundsätzliche Eignung von VTS zur Integration in prothetischen Komponenten. Hierbei erlaubt die Berücksichtigung der Aktuatorträgheit im Gegensatz zu früheren Studien die Bestimmung einer optimalen Steifigkeit für die seriell-elastische Aktuierung des menschlichen Knies beim Gehen. Eine erste Gang-Simulation, die zudem die veränderte Dynamik mit der Prothese berücksichtigt, deutet auf das Potential hiermit niedrigere Anforderungen für den Entwurf zu ermitteln hin. Das konzeptionierte Prothesenknie kombiniert durch die elastischen Aktuierung und Energierückgewinnung vielversprechende biomechanische Funktionalitäten und eine lange Betriebszeit. Neben der Beinprothetik kann das vorgeschlagene MMZE-Rahmenwerk in anderen Anwendungen mit starken Mensch-Maschine-Wechselwirkungen durch die Anpassung der Human Factors und der technischen Aspekte verwendet werden. Ebenso können die Erkenntnisse zum Entwurf und der Regelung von elastischer Aktuierung auf andere Systemen übertragen werden, die eine energieeffiziente Durchführung von zyklischen Aufgaben verlangen.Deutsch
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