Prothetik und Biomechanik

Menschen mit einer fehlenden Gliedmaße benötigen einen adäquaten Ersatz für ihr verlorenes Körperteil, um aktiv am täglichen Leben teilhaben zu können.

Die Anwendung mechatronischer Ansätze in Beinprothesen führte in den letzten beiden Jahrzehnten zu einer Erweiterung des Funktionsspektrums und einem Komfortgewinn für die Nutzer. Dennoch besteht weiterhin großes Optimierungspotential für zukünftige Entwicklungen.

Unter Berücksichtigung der Biomechanik beschäftigt sich unsere Forschung mit aktuellen Problemstellungen aus dem Themenfeld der Beinexoprothetik. In interdisziplinären Projektgruppen werden mittels gezielt entwickelter Messtechnik Ganguntersuchungen mit amputierten Probanden zu speziellen Fragestellungen durchgeführt. Die gewonnenen Daten werden methodisch analysiert, um potentielle Möglichkeiten zur Nutzerunterstützung durch die Integration von mechatronischen Prothesenkomponenten zu identifizieren und entsprechend technisch umzusetzen.

Derzeitige Projekte zu diesem Thema:

Unterstützt durch das „Athene Young Investigator“ – Programm der TU Darmstadt

Dieses Projekt kombiniert Methoden aus den Ingenieurwissenschaften und Humanwissenschaften zur Bearbeitung des multidisziplinären Gebiets tragbarer Robotiksysteme für die Bewegungsunterstützung und –augmentation.

Durch die Berücksichtigung von Human Factors im Reglerentwurf werden Algorithmen entwickelt, die eine effiziente und natürliche Unterstützung bieten und verhindern, dass sich Nutzer „durch den Roboter gesteuert“ fühlen. Psychophysikalische Experimente zur Erfahrung der Steifigkeit tragbarer Roboter durch die Nutzer führt den Impedanzregelungsentwurf. Bei entsprechender Anpassung erleichtern diese Algorithmen vielseitige Fortbewegungsarten und werden fehlertolerant. Zusätzliche psychometrische und Human-in-the-Loop-Studien untersuchen den Einfluss der Algorithmen auf die Körperschemaintegration der tragbarer Robotiksysteme durch ihre Nutzer. Zur praktischen Validierung werden eine adaptive Unterschenkelprothese und eine aktive Knieorthese als Demonstratoren verwendet. Die Ergebnisse ermöglichen die Spezifizierung einer mensch-orientierten Reglerentwurfsmethode, die der Verbesserung von Nutzerakzeptanz und -zufriedenheit dient.

Kontakt: Philipp Beckerle,

Gefördert durch AiF/IGF: 18873 N/2

In einem durch die AiF geförderten Projekt wird in interdisziplinärer Zusammenarbeit mit zwei weiteren Instituten der TU Darmstadt (Psychologie und Sportwissenschaft) und der Biomechatronik-Gruppe des Fraunhofer IPA Stuttgart an der Optimierung der Vermessung, Anpassung und Fertigung von Beinprothesen-Schaftsystemen gearbeitet: von der Expertise-abhängigen Handarbeit hin zu einer teil-automatisierten Entwicklungsmethode. Mit Hilfe experimenteller Messungen, Modellierungsansätzen, dem Know-how von Orthopädietechnikern und der subjektiven Bewertung durch Amputierte wollen wir den Anpassungsprozess objektivieren und quantifizieren. Forschungsziel ist die Entwicklung einer Methode, welche eine gleichbleibende Qualität in der Schaftanpassung sichert und dabei die Anpassungszeit verkürzt.

Kontakt: Veronika Noll,

Bild: IMS

Abgeschlossene Projekte zu diesem Thema:

Gefördert durch DFG: RI 2086/7

Ziel des DFG geförderten Forschungsprojektes ist die Entwicklung von Konzepten und Komponenten, die es ermöglicht, Nutzern in dynamischen Situationen adäquate Unterstützung und Sicherheit zu bieten. Hierzu kooperieren wir mit dem Prothesenhersteller Blatchford Product Limited, UK. Durch Kompetenzbündelung von ganzheitlicher Systemarchitektur mechatronischer Systeme seitens des IMS und langjähriger Erfahrung in Prothesenentwicklung sollen innovative Konzepte generiert werden.

Nach Durchführung und Analyse von Probandenstudien mit eigens entwickelter Messtechnik, werden anforderungsgerechte Konzepte für Prothesenkomponenten entwickelt. Eine ganzheitliche mechatronische Entwicklungsmethodik integriert unter anderem Gangerkennungsalgorithmen und Regelkonzepte sowie deren Auslegung und Evaluation. Nach Realisierung von Prototypen werden diese mittels Prüfstand und Nutzertests evaluiert.

Kontakt: Florian Stuhlenmiller,

Bild: IMS

Das durch die TU Darmstadt finanzierte Projekt zielte auf aktive Beinprothesen ab, die nutzerfreundlich und energieeffizient sind. Zur Entwicklung nutzer-orientierter Technik wurden Human Factors psychologisch analysiert und in Ingenieurmethoden integriert. Um die Energieeffizienz zu erhöhen, wurden elastische Antriebssysteme und deren Regelung durch Simulationen des menschlichen Ganges mit und ohne Prothese ausgelegt.

Kontakt: Philipp Beckerle,