Exoskelett zur Vermeidung der Fussheberparese

Abstract

Diese Bachelorarbeit beschreibt die Weiterentwicklung eines Prototyps einer mechanischen Knöchel-Fuss-Orthese (engl. Active Ankle-Foot Orthosis, kurz AAFO) für das Testen in einer vorklinischen Studie im Laborumfeld mit Probanden mit Fussheberparese (engl. Drop Foot). Die Arbeit baut auf zwei vorangegangene Arbeiten auf: Der Bachelorarbeit “Exoskelett zur Vermeidung des Foot-Drops“ von Sandro Feuerstein und Emanuel Rüedi (Systemtechnik) und der kombinierten Projektarbeit „Entwicklung eines Exoskeletts zur Vermeidung des Foot Drops“ von Pascal Geitner und Lukas Krähenbühl der beiden Maschinentechnik Schwerpunkten System- und Automatisierungstechnik und Biomechanik. Bei der Pathologie des Drop Foots braucht es einen Mechanismus, der den Fuss aktiv beim Gehen unterstützt und den Bewegungsbereich des Sprunggelenks steuert. Somit werden Kollisionen des Vorfusses mit dem Boden minimiert oder gar vermieden. Für diese aktive Mobilisierung wurde in der ersteren Arbeit ein erster Prototyp (V1) einer mit TSA (Twisted String Actuator) ausgestatteter AAFO entwickelt. Ein TSA ist ein Aktuatorprinzip, bei welchem ein String durch ein relativ geringes Drehmoment verdreht wird, womit sich dieser zusammenzieht und eine lineare Kraft erzeugt. Damit konnten jedoch nicht die gewünschten Kontraktionsgeschwindigkeiten erzeugt werden, die beim menschlichen Gang notwendig sind. Die zweite Arbeit beinhaltete deshalb die Überarbeitung des AAFO Konzepts und die Umsetzung in einen neuen Prototyp (V2). Das Testen dieser Version des Prototyps zeigte, dass das eigens dazu entwickelte Shaft TSA (kurz STSA) es zwar möglich machte, die Dynamiken zu erreichen, jedoch konnten die benötigten Kräfte zum Anheben des Fusses nicht erreicht werden. Ebenfalls entstanden bei längerem Tragen der Orthese starke Druckstellen. Im Fokus dieser Bachelorarbeit stand daher das Analysieren und anschliessende Überarbeiten des Prototyps und die Entwicklung des finalen Prototyps (V3) zu Studienzwecken. Konkret sollte daher die Konstruktion und Regelungstechnik des STSAs so verbessert werden, dass genügend Kraft für das Anheben des Fusses übertragen werden kann und ein einfaches Anpassen an die individuellen Anforderungen der Probanden möglich wird. Darüber hinaus wurde die Steigerung der Ergonomie als Ziel definiert, was eine Umgestaltung des Orthesendesigns voraussetzte. Dabei sollten das bestehende Anzieh- und Fixationskonzept sowie das Reduzieren von Druckstellen im Vordergrund stehen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erfolgreich ein Prototyp V3 entwickelt und in einem Selbstversuch getestet werden. Im Versuch konnte validiert werden, dass das STSA über genügend Kraft verfügt, um den Fuss anzuziehen und bei einem konstanten Winkel zu halten. Ebenfalls wurde das Ergonomiekonzept von einer Testgruppe beurteilt. Dabei wurde die Orthese als bequem und nicht störend bewertet. Der Prototyp erfüllt damit die zwei wichtigsten Kriterien, um für die Probandenstudie freigegeben zu werden