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TU Berlin

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Entwicklung eines Prüftstandes für Beinprothesen (Gangsimulator)

Zeitraum: 01.01.2006 – 30.06.2010

Bearbeiter: Dipl.-Ing. Wulf Wulff

Mitarbeiter: Ulrich Wegener, Sylvia Donner, Simon Gallinger, Jörg Borgwardt, Simon Motschmann, Hendrik Grosser, Fenny Nauli

Volumen: 200.000 €

 

In gleichem Maße wie die Mobilität der Patienten auf Basis moderner exoprothetischer Systeme zunimmt, steigt auch ihre Belastung. Um die beanspruchungsgerechte Entwicklung dieser Hilfsmittel zu unterstützen, wird am Fachgebiet Medizintechnik der TU Berlin ein Gangsimulator entwickelt. Er ermöglicht eine realitätsnahe, patientenspezifische und reproduzierbare Belastung kompletter Beinprothesen ohne Schaft über den gesamten Gangzyklus. In Verbindung mit Untersuchungen zur Patientenmobilität lassen sich damit aufwendige Feldversuche durch frei planbare Prüfstandsversuche ergänzen.

Lupe

Material und Methode

Um möglichst sichere Erkenntnisse über das Verhalten hoch beanspruchter Komponenten zu gewinnen, werden zuvor erfasste Belastungszeitfunktionen in die Komponenten eingeleitet. Die Lasteinleitung in das Exoprothesensystem erfolgt im Gangsimulator über das hydraulisch angetriebene Hüft- und Fußmodul. Das Hüftmodul vereint die Antriebe der Extensions- und Flexionsbewegung, der Adduktions- und Abduktionsbewegung und der tordierenden Inversions- und Eversionsbewegung. Das Fußmodul leitet von unten die vertikalen Kräfte ein, wobei gleichzeitig die horizontale Fußbewegung auf einem geführten Wagen ermöglicht wird. Die kooperierenden Aktoren sind das Extensions-/ Flexionsmodul und das Fußmodul. Ausgehend von der Extensions-/ Flexionsbewegung des Hüftmoduls, welches einem vorgegebenen Hüftwinkelverlauf folgt, wird das Fußmodul in der Schwungphase lagegeregelt bewegt und in der Zeit der Standphase kraftgeregelt vertikal und horizontal an die Prothese angelegt. Der Übergang zwischen Weg- und Kraftregelung erfolgt durch eine kraftkontrollierte Lageregelung. Zeitgleich werden in der Standphase die Momente für Adduktion/Abduktion und Inversion/Eversion eingeleitet und in der Schwungphase lagegeregelt zurückgeführt. Neben dem Laufen auf horizontalem Boden soll weiterhin die Simulation des Treppengehens möglich werden, wozu zusätzlich eine Stufe auf der Fußplatte aufgelegt werden muss. Wichtige Voraussetzung hierfür ist der große Beugewinkel von über 50°.

Ergebnisse

Aktueller Stand der Entwicklung ist die technische Realisierung der Konstruktion insbesondere unter dem Gesichtspunkt der dauerfesten Auslegung. Hierbei wurde eine vertikal wirkende Kraft von 2500N zugrunde gelegt welche oberhalb des Lastlevels P5 (DIN EN ISO 10328) liegt. Parallel dazu befindet sich das Steuerungs- und Regelungssystem in der Entwicklung. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Abstimmung der kooperierenden Antriebskomponenten deren Zusammenwirken die zu validierende Belastungszeitfunktion ergibt.

Diskussion und Ausblick

Die Einsatzbereiche des Gangsimulators reichen von einfachen Funktionstests über die Abstimmung komplett aufgebauter Systeme bis hin zu Dauerfestigkeitsuntersuchungen einzelner Komponenten und Wechselwirkungsuntersuchungen an komplexen Baugruppen. Eine besondere Bedeutung erlangt, unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit, das realitätsnahe Testen noch in der Entwicklung befindlicher Komponenten mit dem Ziel, die Entwicklungszeiten und Kosten zu senken.

Zeitschriftenartikel Orthopädie-Technik, Ausgabe: 5/09

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