Ein neues Konzept für eine aktive Leichtbauorthese auf Basis von fluidgefüllten Hohlstrukturen für

279 Pages·2016·2.76 MB·German

by  Roland Wiegand

Ein neues Konzept für eine aktive Leichtbauorthese auf Basis von
fluidgefüllten Hohlstrukturen für die obere Extremität
ZurErlangungdesakademischenGradeseines
DOKTORSDERINGENIEURSWISSENSCHAFTEN
derFakultätfürMaschinenbaudesKarlsruherInstitutsfürTechnologie(KIT)
Karlsruhe
genehmigte
DISSERTATION
von
RolandWiegand
ausPforzheim
TagdermündlichenPrüfung: 18.Mai.2016
Referent: Prof.Dr.GeorgBretthauer
Korreferent: Prof.Dr.JürgenWernstedt
Korreferent: Apl.Prof.Dr.med.ChristianPylatiuk

Kurzfassung
FürPatientenmiteinerschwerenLäsionderoberenHalswirbelsäuleexistierenkeineMöglichkeitenAuf-
gaben des alltäglichen Lebens autark zu lösen. Sie sind auf permanente Hilfe von Dritten angewiesen.
Das System OrthoJacket soll die Abhängigkeit von dritten Personen verringern und dem Träger wieder
mehrselbstständigeHandlungenermöglichen.
Um die gewünschte Unterstützung bereitstellen zu können, muss das System die Schulter, den Ellbo-
genunddieRotationdesHandgelenksmechanischunterstützen.DieFlexionderHandunddasGreifen
werdenmitHilfevonfunktionellerElektrostimulationerzielt.DerSchwerpunktderArbeitliegtaufder
EntwicklungdesmechanischenSystems.DieUnterstützungderInnenrotationderSchulter,dieExtensi-
on und die Flexion des Ellenbogens und die Rotation der Hand erfolgen mittels flexibler Fluidaktoren.
Die Anteversion und die Abduktion der Schulter werden von elektrischen Schrittmotoren unterstützt.
Wichtige Punkte bei der Entwicklung des OrthoJackets waren, die Dimensionierung des mechanischen
Systems sowie die Entwicklung von Aktoren auf Basis von verstärkter Polymerfolie. Ein Punkt bei der
EntwicklungderFolienaktorenwardieEntwicklungvonMethodenmitderdieLebensdauerbeeinflusst
werden kann. Dazu wurden erstmals Dauerlaufversuche mit expandierenden flexiblen Fluidaktoren auf
FolienbasisdurchgeführtundderEinflussvonverschiedenenFertigungs-undBetriebsparameternermit-
telt.DamitdemkommerziellverfügbarenFolienmaterialdiegewünschteLebensdauernichtzuerreichen
war,wurdenzweineueFolienentwickelt,diediegewünschtenEigenschaftenaufwiesen.
Der Ellenbogen und die Innenrotation der Schulter sowie die Rotation der Hand werden mit, extra für
den Anwendungsfall entwickelten, flexiblen Fluidaktoren unterstützt. Das System ist so ausgelegt, dass
es den mobilen Betrieb über eine Dauer von acht Stunden ermöglicht. Die Fixierung des Systems am
PatientenerfolgtmittelsmehrereraufblasbarerKissen.MitdenKissenistesmöglich,dieKraft,mitder
die Orthese den Patienten umschließt, zu variieren und somit das Tragen über einen längeren Zeitraum
zu ermöglichen. Ohne die Variabilität der Kissen ist es nicht möglich, eine aktive Orthese für die län-
gerfristige Nutzung zu entwickeln, da sie entweder verrutscht oder es, aufgrund des engen Sitzes, zu
Durchblutungsstörungenkommt.

Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit am Institut für Angewandte Informatik des
ForschungszentrumsKarlsruhebeziehungsweisedesKarlsruherInstitutsfürTechnologie.FürdieMög-
lichkeitaneinemsehrinteressantenundumfangreichenGebietforschenzukönnen,möchteichProfessor
Georg Bretthauer herzlich danken. Stets war ich mir seiner Unterstützung sicher und fand jederzeit ein
offenesOhr.
Zudem danke ich mehreren Mitarbeitern von anderen Instituten des KITs für ihre Unterstützung sowie
allenanderenMitarbeiterndesInstituts,diezumGelingenderArbeitbeigetragenhaben.
Besonders danke ich aber meinen Kollegen der Fluidgruppe, besonders Christian Pylatiuk und Helmut
Breitwieser für die zahlreiche Anregungen und wertvollen Hinweise. Zudem bei meinen drei Mitstrei-
tern Immanuel Gaiser, Bastian Schmitz und Alexander Pfriem für die wertvollen, unterhaltsamen und
manchmalaucherheiterndenDiskussionen.
Weiterhindanke ichallenStudenten, dieimRahmenvon Praktika,Studien-oder Diplomarbeiteneinen
BeitragzudieserArbeitgeleistethaben.MeinherzlicherDankgiltschließlichmeinenElternsowiemei-
nemBruderfürdasVerständnisunddasfleißigeKorrekturlesen.
Beim Fazit schließe ich mich Ernst Ferstl an: Wer kein Ziel vor Augen hat, kann auch keinen Weg
hintersichbringen.
Karlsruhe,imDezember2015 RolandWiegand

Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung 5
Danksagung 7
1 Einleitung 1
1.1 Bedeutung der oberen Extremität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Unterstützungssysteme und verwendete Aktorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 Unterstützungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 Aktorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 Aktuelle Therapieansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3 Ziele und Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.1 Leichtbauorthesenstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.2 Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.3 Schultereinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.4 Teilaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2 Gesamtkonzept 27
2.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Anforderungen an das System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Mehrkörpersimulationsmodell der oberen Extremitäten . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.1 Aufbau der Mehrkörpersimulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2 Simulierte Bewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.3 Ergebnisse der Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4 Modulare Systemkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5 Mechanischer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5.1 Tragstruktur für die obere Extremität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5.2 Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.3 Schultersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.6 Sensorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.1 Überwachung der Mechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.6.2 Erkennung der gewünschten Willkürbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.7 Peripherie des Gesamtsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.8 Sicherheitskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.9 Gesamtkonzept des Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3 Entwicklung einer neuen Leichtbautragstruktur für die obere Extremität 57
3.1 Anforderungen an die Struktur der Orthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 Konzept der beiden Segmente des Orthesensystems . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.1 Ellbogensegment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.2 Handgelenkssegment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3 Fixierung der Orthese am Patienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4 Tragstruktur der Orthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4.1 Stützstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4.2 Komfortstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.5 Unterstützung des Handgelenks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.6 Aufbau der Orthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.7 Kinematisches Modell der Ellbogen- und Handgelenksunterstützung . . . . . . . 79
3.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4 Entwicklung neuer flexibler Fluidaktoren für die aktive Orthese 83
4.1 Anforderungen an die neuen flexiblen Fluidaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.1.1 Anforderungen an den Ellbogenaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.1.2 Anforderungen an den Aktor für die Innenrotation . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2 Konzeptionierung der beiden Aktoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.1 Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.2 Hochfrequenzschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.3 Geometrie der Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3 Experimentelle Bestimmung der Spannung bei einem flexiblen Fluidaktor . . . . 93
4.3.1 Bestimmung der Spannung mittels eines Dehnmessstreifens . . . . . . . . 94
4.3.2 Vermessen des Aktors im Raum bei verschiedenen Drücken . . . . . . . . 95
4.4 Ermittlung der Aktorverformung mittels Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4.1 Berechnung mittels der Membrantheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4.2 Berechnung mittels Finiter Element Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.5 Ermittlung des Einflusses bestimmter Faktoren auf die Lebensdauer . . . . . . . 107
4.5.1 Versuchsübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.5.2 Ergebnisse der Lebensdauerversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.6 Entwicklung eines neuen Folienmaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.6.1 Ursachenanalyse der Ausfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.6.2 Herstellungsprozess kommerzieller, gewebeverstärkter Folie . . . . . . . . 115
4.6.3 Grundlagen für die Folienentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.6.4 Entwicklung einer eigenen, gewebeverstärkten Folie . . . . . . . . . . . . . 122
4.6.5 Ergebnisse der Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.7 Neuer Bogenaktor für die Unterstützung des Ellbogens . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.7.1 Schweißwerkzeug für den Bogenaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.7.2 Betriebsstrategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.7.3 Leistungsdaten des Aktors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.7.4 Ergebnis der Ellbogenaktorentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.8 Neuer 2D-Aktor für die Innenrotation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.8.1 Schweißwerkzeug für den 2D-Aktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.8.2 Ergebnisse der 2D-Aktorentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.9 Vergleich verschiedener flexibler Fluidaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.10 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5 Entwicklung eines neuen Systems zur Schulterunterstüztung 141
5.1 Kinematik des Schultersystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.1.1 Design der Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.1.2 Aufbau der Kinematik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2 Anforderung an die Schulterstützstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2.1 Mechanische Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2.2 Anforderungen an das Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.3 Adaption des Schultersystems an den Rollstuhl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.4 Erzeugen der Innenrotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.4.1 Erzeugen der Innenrotation mit einem flexiblen Fluidaktor. . . . . . . . . . 146
5.4.2 Erzeugen der Innenrotation durch eine mechanische Führung . . . . . . . 147
5.4.3 Vergleich der beiden Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.5 Gesamtaufbau des Schultersystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.6 Kinematisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.7 Alternatives Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6 Aufbau des Prototypen des neuen Unterstützungssystems 155
6.1 Herstellung der Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.2 Fertigung der Tragstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.3 Sensorik zur Überwachung der Orthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.3.1 Schultersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.3.2 Ellbogenorthese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.3.3 Peripherie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.4 Integration des Systems in ein Textil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.5 Auslegung des pneumatischen Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.5.1 Berechnung der beiden Druckspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.5.2 Pumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.6 Aufbau des elektrischen Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.6.1 Abschätzung der Leistungsaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.6.2 Sensorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.7 Steuerungskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.7.1 Steuerung des Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.7.2 Aufbau des Steuerungsmenüs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.8 Funktionelle Elektrostimulation für die Handfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.9 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7 Patiententest 177
7.1 Test mit Teilkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.1.1 Probandenstudie mit der Orthese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.1.2 Orthesentest mit einem Tetraplegiker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.2 Abschließender Test des Gesamtsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.2.1 Testbeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.2.2 Beschreibung der Probanden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.2.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.2.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
8 Zusammenfassung 193
9 Anhang 197
9.1 Dauerlaufversuche der Folienaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
9.1.1 Fertigungstechnische Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
9.1.2 Auswirkung der Belastung auf die Haltbarkeit der Aktoren . . . . . . . . . 213
9.1.3 Fazit der Dauerlaufversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
9.1.4 Relaxionsverhalten des Folienmaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.1.5 Neue Herstellungsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
9.2 Entwicklung der neuen Gewebefolie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
9.2.1 PEEK Folie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.2.2 Nomex Folie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
9.2.3 Vergleich der mechanischen Kennwerte der drei Folien . . . . . . . . . . . 232
9.3 Fertigung der flexiblen Fluidaktoren und der Tragstruktur . . . . . . . . . . . . . . 232
9.3.1 Fertigung des Ellbogen und des 2D-Aktors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
9.3.2 Herstellung des Kissens zur Fixierung des Armes . . . . . . . . . . . . . . 238
9.3.3 Fertigung der hohlen Tragstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240