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Design and evaluation of a powered prosthetic foot with monoarticular and biarticular actuation

Zeiss, Julian (2023)
Design and evaluation of a powered prosthetic foot with monoarticular and biarticular actuation.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024330
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

Abstract

To overcome the limitations of passive prosthetic feet, powered prostheses have been developed, that can provide the range of motion and power of their human counterparts. These devices can equalize spatio-temporal gait parameters and improve the metabolic effort compared to passive prostheses, but asymmetries and compensatory motions between the healthy and impaired leg remain. Unlike their human counter part, existing powered prosthetic feet are fully monoarticular actuating only the prosthetic ankle joint, whereas in the biological counter part, ankle and knee joint are additionally coupled by the biarticular gastrocnemius muscle. The goal of this work is to investigate the benefits of a powered biarticular transtibial prosthesis comprising mono- and biarticular actuators similar to the human example. The contributions of the present work are as follows: A biarticular prosthesis prototype is methodically designed to match the capabilities of the monoarticular muscles at the human ankle joint as well as the biarticular gastrocnemius muscle during level walking. The prototype consists of an existing powered monoarticular prosthetic foot, which is extended with a knee orthoses and a stationary biarticular Bowden cable actuator. Both actuators are modeled as serial elastic actuators (SEA) and the identification of the model parameters is conducted. A model based torque control utilizing the measurements commonly available in SEAs, an impedance control law based on human ankle reference trajectories, and a high level control to enable steady walking in the lab are introduced. The proposed hardware setup and control structure can provide sagittal plane angles and torques similar to the mono- and biarticular muscles at the human ankle, with proper torque tracking performance and a freely adjustable allocation of torque between the monoarticular and biarticular actuator. The biarticular prosthesis is evaluated in the gait lab with three subjects with unilateral transtibial amputation utilizing a continuous sweep experimental protocol to investigate the metabolic effort and spatio-temporal gait parameters. All subjects show a tendency to reduced metabolic effort for medium activity of the artificial gastrocnemius, although noise level and time variation are large. In addition to the reduction in metabolic effort, the artificial gastrocnemius is able to influence spatio temporal gait parameters between the impaired and the intact side, but partially opposing effects are observed among the individual subjects. In conclusion, this thesis describes the implementation of an artificial gastrocnemius following the human example and the systematic investigation of metabolic effort and spatio-temporal gait parameters. It is shown that the addition of the artificial gastrocnemius to a monoarticular prosthesis can positively affect the investigated parameters. The meaningfulness of the results should be improved by increased clinical effort in future work.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2023
Creators: Zeiss, Julian
Type of entry: Primary publication
Title: Design and evaluation of a powered prosthetic foot with monoarticular and biarticular actuation
Language: English
Referees: Konigorski, Prof. Dr. Ulrich ; Seyfarth, Prof. Dr. André ; Grimmer, Dr. Martin
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiv, 126 Seiten
Refereed: 30 June 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024330
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24330
Abstract:

To overcome the limitations of passive prosthetic feet, powered prostheses have been developed, that can provide the range of motion and power of their human counterparts. These devices can equalize spatio-temporal gait parameters and improve the metabolic effort compared to passive prostheses, but asymmetries and compensatory motions between the healthy and impaired leg remain. Unlike their human counter part, existing powered prosthetic feet are fully monoarticular actuating only the prosthetic ankle joint, whereas in the biological counter part, ankle and knee joint are additionally coupled by the biarticular gastrocnemius muscle. The goal of this work is to investigate the benefits of a powered biarticular transtibial prosthesis comprising mono- and biarticular actuators similar to the human example. The contributions of the present work are as follows: A biarticular prosthesis prototype is methodically designed to match the capabilities of the monoarticular muscles at the human ankle joint as well as the biarticular gastrocnemius muscle during level walking. The prototype consists of an existing powered monoarticular prosthetic foot, which is extended with a knee orthoses and a stationary biarticular Bowden cable actuator. Both actuators are modeled as serial elastic actuators (SEA) and the identification of the model parameters is conducted. A model based torque control utilizing the measurements commonly available in SEAs, an impedance control law based on human ankle reference trajectories, and a high level control to enable steady walking in the lab are introduced. The proposed hardware setup and control structure can provide sagittal plane angles and torques similar to the mono- and biarticular muscles at the human ankle, with proper torque tracking performance and a freely adjustable allocation of torque between the monoarticular and biarticular actuator. The biarticular prosthesis is evaluated in the gait lab with three subjects with unilateral transtibial amputation utilizing a continuous sweep experimental protocol to investigate the metabolic effort and spatio-temporal gait parameters. All subjects show a tendency to reduced metabolic effort for medium activity of the artificial gastrocnemius, although noise level and time variation are large. In addition to the reduction in metabolic effort, the artificial gastrocnemius is able to influence spatio temporal gait parameters between the impaired and the intact side, but partially opposing effects are observed among the individual subjects. In conclusion, this thesis describes the implementation of an artificial gastrocnemius following the human example and the systematic investigation of metabolic effort and spatio-temporal gait parameters. It is shown that the addition of the artificial gastrocnemius to a monoarticular prosthesis can positively affect the investigated parameters. The meaningfulness of the results should be improved by increased clinical effort in future work.

Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

Um die Einschränkungen passiver Prothesenfüße zu überwinden, wurden in den vergangenen Jahren angetriebene Prothesen entwickelt, die Bewegungsumfang und Leistung vergleichbar zum menschlichen Sprunggelenk ermöglichen. Diese aktiven Prothesen können spatiotemporale Gangparameter angleichen und die Anstrengung im Vergleich zu passiven Prothesen verbessern, wobei Asymmetrien und Kompensationsbewegungen zwischen gesundem und beeinträchtigtem Bein bestehen bleiben. Im Gegensatz zu ihrem menschlichen Vorbild sind existierende aktive Prothesenfüße vollständig monoartikulär, aktuieren also nur das Prothesensprunggelenk, wohingegen im menschlichen Bein Knöchel- und Kniegelenk zusätzlich durch den biartikulären Gastrocnemius-Muskel gekoppelt sind. Das Ziel dieser Arbeit ist, die Vorteile eines angetriebenen Prothesenfußes mit mono- und biartikulären Antrieben gemäß vergleichbar zum menschlichen Vorbild zu untersuchen. Hierfür wird ein biartikulärer Prothesenprototyp methodisch entworfen, um das Verhalten sowohl der monoartikulären, als auch der biartikulären Muskeln am menschlichen Sprunggelenk bei ebenem Gehen nachzubilden. Der Prototyp besteht aus einem existierenden monoartikulären Prothesenprototyp, der mithilfe einer angepassten Knieorthese und einem externen, biartikulären Bowdenzugaktor erweitert wird. Beide Antriebe werden als seriellelastische Antriebe (SEA) modelliert und die Identifikation der Modellparameter wird dargelegt. Es wird eine Reglerstruktur eingeführt, die kontinuierliches Gehen im Labor ermöglicht. Diese besteht aus einer modellbasierten Drehmomentregelung auf Basis der in SEAs gewöhnlich verfügbaren Messgrößen, einem Impedanzregelgesetz auf Basis menschlicher Referenztrajektorien, und einem übergeordneten Gangregler. Der vorgestellte Hardwareaufbau und die eingeführte Reglerstruktur können Winkel und Drehmomente in der Sagittalebene bereitstellen, die den mono- und biartikulären Muskeln am menschlichen Knöchel ähnlich sind, mit geeigneter Regelgüte und einer frei wählbaren Aufteilung des Drehmoments zwischen dem monoartikulären und dem biartikulären Aktor. Die biartikuläre Prothese wird im Ganglabor mit drei Versuchspersonen mit einseitiger transtibialer Amputation mit einem rampenförmigen Protokoll evaluiert, um den Einfluss auf Anstrengung und spatiotemporale Gangparameter zu untersuchen. Alle Probanden zeigen eine Tendenz zu reduziertem metabolischem Aufwand bei mittlerer Aktivität des künstlichen Gastrocnemius, wobei Rauscheinflüsse und zeitliche Variation groß sind. Neben der Reduktion der Anstrengung ist der künstliche Gastrocnemius in der Lage, spatiotemporale Gangparameter zwischen beeinträchtigtem und unbeeinträchtigtem Bein zu beeinflussen, wobei teilweise gegensätzliche Effekte unter den einzelnen Versuchspersonen beobachtet werden. Zusammenfassend beschreibt diese Arbeit die Implementierung eines künstlichen Gastrocnemius und die systematische Untersuchung von dessen Einfluss auf die Anstrengung und spatiotemporale Gangparameter. Es wird gezeigt, dass die Hinzunahme des künstlichen Gastrocnemius die untersuchten Parameter positiv beeinflussen kann. Die Aussagekraft der Ergebnisse sollte in zukünftigen Arbeiten durch erhöhten klinischen Aufwand verbessert werden.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-243305
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 610 Medicine and health
600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik > Control Systems and Mechatronics
TU-Projects: DFG|KO1876/15-1|Robuste phasenbasier
Date Deposited: 18 Jul 2023 11:43
Last Modified: 19 Jul 2023 06:05
PPN:
Referees: Konigorski, Prof. Dr. Ulrich ; Seyfarth, Prof. Dr. André ; Grimmer, Dr. Martin
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 30 June 2023
Export:
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