Auslegung von Multidomänen-Systemen - Analyse, Modellierung und Realisierung von mechatronischen Systemen am Beispiel einer aktiven Knieprothese

Abstract

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.

In the presented work the design, development and energy analysis of an active driven knee prosthesis is described. This thesis is part of the research activities, "Active actuators for prostheses and orthoses" at the Fraunhofer IPA. The analysis and design of a drive system for active powered knee prostheses is discussed. The derivation of technical requirements for an active prosthesis system is carried out for an active driven knee prosthesis system. Parameters for the drive system in the active driven knee prosthesis are defined using methods from the engineering of electrical drives. So called characteristic curves for the active motion at the knee are defined. Different concepts for the kinematic solution of an active powered motion at the knee axis are presented. As solution for the powered motion a BLDC motor gearbox concept is described. Possible methods for the modeling of multidisciplinary systems are discussed using the example of an active knee prosthesis. Modeling of the active knee prosthesis using a state space model, the bondgraph methodology and the Port-Hamilton-Approach is described. The simulation of the active powered knee prosthesis is conducted using the state space model and the Port-Hamilton-Approach. Characteristic parameters of the gait cycle are checked using a special test system and are compared with the results of the simulations. At last an outlook for additional research work in the field of active driven prosthesis systems is given.