Radarbasierte Terrainerfassung zur vorausschauenden Steuerung aktiver Prothesen der unteren Extremitäten

Abstract

In dieser Arbeit wird das Thema der Anpassung aktiver Prothesen der unteren Extremitäten bei verschiedenen Untergründen behandelt. Bisherige Systeme werden auf Basis von Bewegung und Bodenreaktionskraft gesteuert und sind deswegen nicht für eine terrainabhängige Steuerung von Gelenkwinkeln und -momenten vor dem Betreten des Untergrunds geeignet. Dies ist für einen Komfort- und Sicherheitsgewinn jedoch notwendig. Daher wird in der vorliegenden Arbeit ein mobiles, radarbasiertes Messsystem vorgestellt, dass das vorliegende Terrain während der Bewegung erfasst und das Potenzial für eine vorausschauende Steuerung unter realen Einsatzbedingungen bietet. Damit wird die bisher fehlende visuelle Rückkopplung an den Bewegungsapparat durch den Menschen in Teilen kompensiert. Teil der Entwicklung ist ein Verfahren zur zweidimensionalen Kartierung der Umgebungsstruktur. Mittels Inertialsensorik wird die Bewegung rekonstruiert und aus den synchron erfassten Radar-Entfernungsmessdaten wird ein 2D-Scan in der Sagittalebene errechnet. Es wurden Messergebnisse relevanter Terrain-Übergänge exemplarisch untersucht und Hypothesen für die Rekonstruktion der Umgebungsstruktur aufgestellt. Auf dieser Basis wurde ein Verfahren zur Vereinzelung von Umgebungsstrukturen im Radarscan entwickelt. Die Erfassung markanter Ortsmerkmale ermöglichen eine Dimensionierung von Stufen, Treppen und Rampen. Ergebnisse aus einer Probandenstudie sowie aus Labormessungen zeigen Potential und Ausblick des Ansatzes und führen zu grundlegenden Erkenntnissen zum Einsatz des entwickelten radarbasierten Messsystems. This work addresses the topic of adaptation of active lower limb prostheses on different terrains. Previous systems are controlled based on movement and ground reaction force. Therefore, they are not suitable for a terrain-dependent control of joint angles and torques before stepping on the ground, which is necessary for comfort and safety. A mobile radarbased measurement system integrated into the prosthesis is presented. It detects the existing terrain during movement and offers the potential for predictive control under realistic operating conditions. It partially compensates the missing visual feedback to the artificial locomotor system by the human. Part of the development is a method for twodimensional mapping of the surrounding structure. The movement is reconstructed using inertial sensor data. A two-dimensional scan in the sagittal plane is generated from the synchronously acquired radar distance measurement data. The measurement results of relevant terrain transitions were examined and resulted in hypotheses to reconstruct the surrounding structure. The developed procedure is capable of detecting terrain structure features in the radar scan and enables the dimensioning of steps, stairs and ramps. Results from a study and laboratory measurements show the potential and outlook of the approach and lead to fundamental findings for the use of the developed radar-based measurement system.