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Auslegung von Multidomänen-Systemen - Analyse, Modellierung und Realisierung von mechatronischen Systemen am Beispiel einer aktiven Knieprothese
(2012) Budaker, Bernhard; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)
In der vorliegenden Arbeit wird die Konzeption, Entwicklung und energetische Analyse einer aktiv angetriebenen Knieprothese beschrieben. Die Arbeit ist Teil der Forschungsaktivitäten „Aktive Antriebe für Prothesen und Orthesen“ am Fraunhofer IPA. Die Analyse und Auslegung des Antriebsstrangs einer aktiv angetriebenen Knieprothese wird betrachtet. Die Ableitung der technischen Anforderungen an ein aktiv angetriebenes Prothesensystem wird am Beispiel des Knieprothesensystems durchgeführt. Das Erarbeiten von Parametern für das Antriebssystem im Prothesensystem wird in Anlehnung an Motorauslegungsmethoden durchgeführt. Es werden sogenannte charakteristische Kennlinienfelder für die Bewegung am Knie definiert. Verschiedene mechanische Konzepte für die kinematische Umsetzung der aktiven Bewegung am Knie werden erarbeitet. Die Umsetzung der aktiven Bewegung mit einem EC-Motor-Getriebe-Konzept wird beschrieben. Es werden Ansätze zur Modellierung von Multidomänen-Systemen am Beispiel der aktiv angetriebenen Knieprothese diskutiert. Hierzu wird die Modellierung der Knieprothese im Zustandsraum, mittels Bondgraphentheorie und Port-Hamilton-Methode, beschrieben. Die Simulation der aktiven Knieprothese wird anhand des Zustandsraummodells und des Port-Hamilton-Modells durchgeführt. Charakteristische Parameter des Gangzyklus werden mittels eines eigens für die Arbeit aufgebauten Prüfsystems abgeprüft und mit den Simulationsergebnissen verglichen. Schließlich wird ein Ausblick für weitere Arbeiten auf dem Gebiet der aktiv angetriebenen Prothesensysteme gegeben.