Einfache dynamische Beinprothese

[eames]

Liebe Roboterbauer!

Ich falle mit meinem ersten Beitrag hier gleich mal mit der Tür ins Haus, da ich für meine Idee Unterstützung benötige.
Mir geht es nicht so sehr um eine ganzen Roboter, aber um eine Art "Roboterbein" für Menschen, die ihr richtiges Bein verloren haben.

Nun werden viele sagen - sowas gibts doch alles schon.

Ja und nein.
Es gibt sogenannte Bionische Prothesen, in denen jede Menge Elektronik und Mechanik drin steckt. Die sind aber sehr, sehr teuer - und schwer.
Ausserdem gehen diese Lösungen davon aus ein natürliches Bein nachzubilden. Dies hat natürlich kosmetische Vorteile. Aber auch Nachteile, vor allem in Form von Komplexität.

Meine Idee geht jetzt ein wenig zurück in der Zeit. In die Zeit, zu der die "Versehrten" mit sogenannten Stelzbeinen laufen mussten. Ja, die Dinger, die man gemeinhin mal in einem Piratenfilm sieht. Die Vor- und Nachteile eines Piratenbeins zu einem "HighEnd" Prothesensystem möchte ich gar nicht auswalzen, denn...

Ich möchte gern ein "dynamisches Piratenbein" bauen.

Im Anhang habe ich die Idee mal zu PDF gebracht. Ich hoffe die Zeichnung ist halbwegs verständlich.

Bitte könntet Ihr mit Empfehlungen geben, was günstigerweise als Komponente zur dynamischen Längenänderung eingesetzt werden könnte.

Mir sind da eingefallen:

- Linearmotoren
- Hydraulikzylinder
- Pneumatikzylinder
- rein mechanische Lösung(?)

Das ganze soll natürlich möglichst leicht werden und wenig Strom verbrauchen. Die Längenänderung müsste recht schnell passieren können. In beide Richtungen.

Ich würde mich wirklich sehr freuen, hier ein paar Anregungen oder gar Mitstreiter zu finden.

Viele Grüße aus Chemnitz,

Michael

[Geistesblitz]

Muss es denn unbedingt die Form eines "Holzbeins" haben? Jedenfalls gibt es schon zig Lösungen für vollkommen passive Prothesensysteme, wo dann viel über Kinematik und Dämpfung gearbeitet wird, wie hier beispielsweise (https://www.youtube.com/watch?v=rhu2xNIpgDE). Erscheint mir jedenfalls praktikabler als ein Holzbein, das seine Länge ändern kann.

[Manf]

Hier gibt es sicher auch erprobte Vorlagen:

"paralympics runner"

24909

[eames]

Vielen Dank schon mal für die Antworten.
Bitte nicht versuchen mein Vorhaben ad Absurdum zu führen bzw. auf etwas vorhandenes hinweisen!
Ich kenne mich ganz gut mit den existierenden Lösungen aus und möchte bewusst in die von mir vorgeschlagene Richtung weiter gehen.
Mein ganz einfacher Denkansatz dabei ist: keine nicht mehr vorhanden Gelenke ersetzen, da sich diese nicht mehr steuern lassen.
d.h. weglassen von Knie und Fußgelenk und trotzdem eine dynamische Hilfe erzielen.

Noch kurz zu den beiden Vorschlägen:
Sportlerbein (Feder) - ist wirklich nur für Sport gedacht - "normal" laufen kann man damit nicht - im Bild ist eine Unterschenkelprothese zu sehen, mir geht es primär um den Einsatz als Oberschenkelprothese, sorry - das hab ich oben nicht erwähnt.
passive Prothesen mit Knie - ich möchte den Problemfall des wegknickenden Knies eliminieren

[Michael]

Ohne Knie- und Fußgelenk wirst du keine natürliche Laufbewegung machen können. Der Aufsetzpunkt ist ja z.B. ein anderer, wie der Abstoßpunkt, denk mal an Treppenstufen. Der Versehrte wird dann mit dem Oberkörper schaukeln oder die Hüfte stark bewegen müssen.

Gruß, Michael

[eames]

Hallo Michael,

mit einer Prothese, gleich welcher Art, ist es generell sehr schwer eine natürliche Laufbewegung hin zu bekommen.
Treppenstufen sind ein separates Themengebiet, genau wie das Verhalten beim hinsetzen.

Wie schon angedeutet, ich möchte generell nicht über das für und wieder der Idee diskutieren.
Ich würde mich hingegen sehr freuen, wenn jemand eine Idee hätte um diese bewegliche Komponente zu realisieren.

Es würde sich um ca. 10-20cm Hub drehen, der schnell ausgeführt werden kann, das ganze müsste ca. 100kg Belastung aushalten (aushalten, nicht hoch drücken!)...und dann sollte es leicht sein und mit wenig Strom auskommen.

Vielen Dank schon mal an die Mitdenker :)

Viele Grüße,
Michael

[movido]

gibt es eine konkrete Anwendung? Nur um Theorien zu wälzen ist mir das zu aufwendig. ;-)

Zu Deiner Frage:

Hydraulik ist langsam und schwer, da Du die Hydraulikflüssigkeit hast, eine Pumpe, und eine Zylinder. Dafür ist Hydraulik sehr kraftvoll.

Elektrische Antriebe, ob nun linear oder über irgendwelche Winkel, hat das breiteste Leistungsspektrum, ist sauber und bei hoher Qualität auch leise. Nachteil waren immer die schweren Batterien, aber dies relativiert sich immer mehr.

Pneumatik ist schnell, sauschnell bis gefährlich, und recht schwer zu steuern. Zudem ist sie lauf (puff pfff klack tssschh bei jedem Schritt ist eigentlich nur bei Steampunks gewünscht). Im Gegensatz zur Hydraulik fällt aber das Gewicht der Flüssigkeit weg, und durch die Komprimierbarkeit der Luft kann der Kompressor schon einmal Druck aufbauen, falls der Zylinder mal etwas mehr arbeiten muss (man kommt also auch mit einem kleineren Kompressor aus). Noch ein Problem bei der Pneumatik ist die Notwendigkeit der Schmierung. Du hast also währen des Laufens eine leicht ölige Abluft - hmmmm.

Zusammengefasst: bau Dir ein elektrisches CVT Getriebe das auf Winkle wirkt. Dazu ne hochmoderne Batterie und vielleicht sogar noch Energierückgewinnung während des Bremsvorgangs. So macht das der Muskel auch, und der muss es ja wissen, den er funktioniert unglaublich effizient.

Matthias

[eames]

Hallo Matthias,

vielen Dank für Deine konkrete Antwort.
Ja, es gibt tatsächlich auch eine konkrete Anwendung und das ist auch meine sehr persönliche Motivation um an diesem Thema zu arbeiten.
Es gibt Leute, die einfach ein sehr großes Sicherheitsbedürfnis haben und deswegen die Standardlösungen weg fallen.
Bei Prothesenknien, kann es einfach dazu kommen, dass das Knie weg knickt und dann liegt man auf der Nase.
Ausserdem hat man es durch die Gelenke mit verschiedenen Kraftwinkelwirkungen auf den Prothesenschaft zu tun.
Eine einfache Verlängerung, wie beim Piratenbein ist da sicher viel einfacher in Griff zu bekommen.

Puff/Klack (Pneumatik) wäre glaub ich noch nicht mal das größte Problem.
Die einzige bisher erhältliche voll-elektrische Prothese (Power Knee von Össur) macht auch Geräusche (Servo).
Die ölige Abluft ist da eher das Problem.
Wie verhält sich das mir den pneumatischen Muskeln? Gibts sowas in klein und leicht und kraftvoll?

Viele Grüße,
Michael

[movido]

Für pneumatische Muskeln hat Festo das Patent. Die können Dir da sicher etwas anbieten - auch ausserhalb der sündteueren Industrieanwendungen. Im Hobbybereich darfst Du eh jegliche Patente ignorieren, kannst so einen Muskel also auch selber bauen. Einfach eineGummiblase (zum experimentieren tut's ein Luftballon) in einen Nylon Gewebeschlauch legen. Vorne zuklammern, hinten ein Röhrchen rein und auch zuklammenr und fertig is der Luftmuskel. Videos findest Du uf YouTube.

Denke aber immer an den Luftverbrauch. Bei jedem Schritt muss der Muskel gefüllt und geleert werden, auch wenn Du keine Kraft gebraucht hast! Dein Kompressor läft also immer mit und braucht Strom. Da ist eine Kombination von Federn, die nur dann pneumatisch unterstützt wird, wenn es nötig ist, besser.

Ich könnte mir ein gedämpftes und aktiv gebremstes Federsystem vorstellen, dem ein Zylinder (ob nun elektrisch oder pneumatisch ist egal) dazu geschaltet wird. Wenn jetzt der Zylinder während des Auftretens in der Dämpfung auch noch Energie sammeln kann, die er beim Abrollen kontrolliert wieder abgibt, dann brauchst Du auch kaum noch Batterien.

Mein Lieblingsexperiment ist, eine hohe Leiter auf eine ganz leichte Schräge zu stellen. Ist der Winkel genau richtig, dann fängt die Leiter an, völlig selbstständig die Schräge hinunter zu laufen. Ohne weitere externe Energie und auf "Piratenbeinen". Ich denke, Du liegst genau richtig damit, auf ein Knie zu verzichten. Die Natur hat das Knie nur geschaffen, weil ich aus Fleisch und Knochen keine Linearantriebe basteln kann.

Was mich immer lange bewegt hat ist eine Messung am gesunden Bein, um das fehlende Bein besser zu steuern. Es liegt nun einmal in der Natur der Sache, dass das linke Bein 99% der Zeit etwas sehr ähnliches tut wie das Rechte. Wenn dann der Träger noch eine gut/schlecht Rückmeldung geben kann, dann sollte die Software viele Unzulänglichkeiten der Hardware übertünchen können.

[eames]

Du hast dich mit diesem Thema ja auch schon näher beschäftigt. Das ist ja klasse!

Genau sowas in der Art, wie Du es im dritten Abschnitt beschreibst, hab ich mir auch schon mal vorgestellt.
Beim "auftreten" und belasten drückt man "irgendwas" zusammen, was dann beim Abstoßen wieder raus schnippst.
(das war jetzt mal in Volkstümlich)
Nur muss dann vorm erneuten "auftreten" das Teleskop wieder ausgefahren werden (ohne, dass der Benutzer extra "Schwung geben" muss).
Und evtl. braucht man ein klein wenig mehr Energie zum abstoßen als bei "auftreten" aufgenommen wird. Da bin ich mir allerdings noch etwas unsicher.

Eine wichtige Komponente liegt auf jeden Fall in der Sensorik am "Piratenbein" selbst und an seinem gesunden "Vorbild".
Stromsparende Rechenpower in einer Steuerungseinheit ist heutzutage ja glücklicherweise kein Thema mehr.

[movido]

Ich habe mal meine Brötchen mit 3D Motion Capture und remapping auf virtuelle Cartoonfiguren verdient. Später im Spezialeffektebereich haben wir Roboteranimation mit Computereffekten verbunden. Da habe ich den Roboterbauern immer genau zugesehen, denn die mussten ja die Dynamik eines Tieres mit Motoren nachbauen. Wenn dann ein Löwe z.B. springen musste, hat die Computergrafik die Animatronik ersetzt (heute ist alles Computer).

Wichtig ist, dass Du die Abrollbewegung so gut wie möglich hinbekommst. Beine funtkionieren fast wie ein Rad ohne Umfang, weswegen sie so ungeheuer effizient sind. Nur muss der Fuss eben genau dann vorne sein, wenn der Träger ihn da braucht. In den Videoportalen gibt es Laufsequenzen (hat Edward Muibridge schon im vorletzten Jahrhundert mit angefangen).

Druck Dir doch mal die einzelnen Bilder aus und ersetze ein Bein zeichnerisch durch den geplanten Teleskopstab. Dann kannst Du die Änderung in der Länge in eine Tabelle und auf einen Graphen abmalen, an dem Du dann sofort sehen kannst, wie schnell das Bein wie weit ausgefahren werden muss, um eine bestimmte Gehgeschwindigkeit zu bekommen (Du bekommst eine Kurve aus Zeit und Länge).

Mit dem Gewicht des Trägers kannst Du dann die Kräfte schätzen, die zu jeder Zeit auf das Bein wirken. Ist die Kraft gross während das Bein kürze wird, dann gewinnst Du Energie. Wird es länger, musst Du einen Antrieb schaffen. So kannst Du abschätzen, was Dein Linearmotor leisten muss und kannst ihn genau dimensionieren. Mit ein wenig mehr Mathe (damals beim Integral gut aufgepasst?) kannst Du schon die Akkukapazität im Verhältnis zur Laufstrecke berechnen. Vergiss dabei den Microcontroller ganz schnell. Im Verhältnis zu einem Linearantrieb braucht der null komma nichts.

Viel Spass. Ich muss jetzt in die Heia ;-)

[HeXPloreR]

Hallo,

ich könnte mir vorstellen das man eine Pneumatikzylinder dazu nimmt und diesen unter druck setzt. Wenn man jetzt das System relativ druckdicht macht. Dann müßte eine Druckpumpe immer nur den Verlust ausglecihen der wohl zwangsläufig entsteht.
Ölige Luft, benötigt man übrigens nicht zwingend. Ölzugabe soll je eingentlich nur Oxidbildung im System verhindern. Zur Schmierung von Pneumatikzylinder die so nahe am Menschen eingesetzt werden könnte man sicherlich "neutralere" Mittel finden.

Jetzt zum eigentlichen Kern meiner Idee dazu: Die komprimierte Luft wird nicht ausgestossen und geht somit nicht direkt verloren. Sie wird umgepumpt. Ein doppelwirkender Zylinder, Abluftdrosseln - damit liesen sich dann auch in Grenzen die Geschwindigkeit der Hubbewegung regeln. Dazu benötig man wahrscheinlich ein Vakuum auf der einen Seite, welches dann die Druckluft reinzieht, während auf der Gegenseite wieder ein Unterdruck entstehen sollte damit das System relativ geschlossen funktioniert. Das Ganze wird mit den Drosselventilen in der Geschwindigkeit gereglt.

Ebenso wäre ein Stehposition damit möglich.

Pneumatik wäre übrigens meine erste Wahl bei der Aufgabenstellung, da sie genau den Nachteil bietet der hier unter Andere, benötigt wird: Komprimierbarkeit des Arbeitsmediums. Damit ist das System selbst abfedernd und kann dennoch die Nötige Kraft aufbringen um die Aufgabe zu bewältigen. Sogar auf das Gewicht der Person anpassbar.

EDIT: Naja, Vakuum wird sehr schwierig zu halten und wird wohl auch garnicht gebraucht. Eher lässt man einfach beim umpumpen, die andere Seite des Zylinders einfach geschlossen.

[eames]

Hallo HeXPloreR,

vielen Dank für Deine Antwort und fürs Gedanken machen.
Die Pneumatik hat mir auch schon immer gefallen. Gerade wegen der dämpfenden Eigenschaften und der Geschwindigkeit.
Leider kenne ich mich damit so wenig aus, dass ich bis jetzt nicht richtig einschätzen kann, ob man so ein Pneumatiksystem entsprechend klein und leicht aber kräftig hin bekommen kann.
Das schwerste ist sicherlich die benötigte Pumpe + Akku.
Gibt es die von Dir beschriebenen doppelt wirkenden Zylinder bereits am Markt?

Viele Grüße,
Michael

[movido]

Pneumatische Bauteile, aber auch alles andere, gibt's u.a. bei Maedler: www.maedler.de . Schöner Spielzeugladen ;-)

[Thoralf]

ich würde erstmal versuchen, das ganze doch elektrisch zu realisieren. Damit bekommt man die Kinematik noch am ehesten in den Griff. Die Interfaces von der Kinematik zum Controller sind auch erstmal einfacher. Die probleme der Kompressibilität der Luft vermeidest du erstmal.
Läuft alles so halbwegs, kann man immer noch den Schritt zur Pneumatik vollziehen.

Wieweit ist das Bein denn schon mechanisch? Falls nicht weit, sucht man sich vielleicht erst ein paar stabile Linearführungen. Ich weiß nicht, was der Möbelbau an heavy duty hergibt, da könnten man im Baumarkt fündig werden.
Für solche Linearantriebe favorisiere ich immer den Kettentrieb. Der ist leicht und preiswert zu realisieren und hält was aus. Zahnriemen geht vielleicht auch aber m.E. sind die Riemen + Ritzel teurer. Eine Kette ist auch leichter schlupffrei anzutreiben.
Spindeltriebe haben viel Reibung es sei denn, es wird ein teuerer Kugelumlauf verwendet.

Ansonsten halte ich die Idee mit dem Teleskopbein für sehr gut. Ein Abwälzen des Fußes brauchst du auch nicht, wenn du einen Kreisausschnitt als Sohle verwendest, wie hier im Forum schon erwähnt. Die Fußsohle ist dann quasi ein Stück eines "rimless wheels". Das Gehen läuft dann nach dem Prinzip des dynamic walkers ab (googeln). Die send extrem energieeffizient.
Hubarbeit brauchst du eigentlich auch nicht in das Bein stecken. Es muß nur stabil seine Länge halten. Vielleicht könnte man dazu einen kleinen servogetriebenen Sperriegel in die Kette greifen lassen. Da dieser beim Heben des Beins lastfrei ist, genügt ein kleiner Servo, der auch nur zum ein- und ausfahren Strom braucht.
Die eigentliche Laufenergie kommt ja, wenn ich das richtig verstanden habe, aus der Hüfte des Menschen. Damit verbraucht das Bein wenig Batterieleistung oder Druckluft, falls du den Schritt in die Richtung gehen willst.