Prosthetic devices are intended to replace missing limbs. Although this statement is simple, the design, testing, and validation of these devices are considerably complex. A number of energy-storing-and-returning prosthetic feet are commercially available, and the recently developed bionic prosthesis aims to increase ankle push-off power or ankle joint compliance. The motivation for this thesis is to propose an alternative device design for a variable sagittal stiffness prosthetic foot. The device must retain the benefits of existing energy-storing-and-returning devices with the addition of stiffness modulation possibilities but with limited additional mass. The second objective of this thesis is to propose an advanced machine testing procedure capturing data that are usually collected during user trials in a gait lab. The data collection can reduce the necessity for user testing in the early phases of the design process.
Four different concepts in which stiffness modulation is mechanically tested are explored in this work. Non-Newtonian foam was used in the first prototype device; however, the concept was abandoned due to the intrinsic limitations in the stiffness change of the material relative to impact and speed. A discrete stiffness mechanism was then modeled, allowing a considerable change in the foot response with a quick user action. Finally, a cantilever beam with a movable support was preferred, leading to the design of two different devices. A final prosthetic foot design that enables wireless sagittal ankle stiffness modulation by the user or prosthetist is proposed. The variable stiffness ankle foot prosthesis was evaluated mechanically and on transtibial amputees. The device was subjected to advanced machine testing to contrast the results with those of biomechanical testing. The developed input curves for simulated incline and decline walking on the machine are promising. The machine and biomechanical ankle test results were compared.
This work is anticipated to encourage the development of devices prioritizing simple yet clinically relevant functions as well as support biomechanical and mechanical engineers with a test method that can further advance the communication between these two engineering fields.
Gervifótum er ætlað að koma í stað útlima sem vantar. Þrátt fyrir að þessi fullyrðing sé einföld þá er hönnun, prófun og staðfesting á réttri virkni fótanna flókin. Nokkrar tegundir gervifóta sem geyma og skila orku eru á markaði. Nýlega hafa komið fram gervifætur stýrðir af lífmerki og miða að því að auka kraft frá ökkla. Markmið þessa verkefnis var að hanna nýjan gervifót með breytilegri stífni. Fóturinn varð að hafa eiginleika núverandi fóta sem geyma og skila orku, ásamt möguleikum á breytilegri stífni án þess að auka massa fótarins umtalsvert. Annað markmið þessa verkefnis var að leggja til vélræna prófunaraðferð sem fangar gögn, sem venjulega er safnað við göngugreiningu notenda á rannsóknarstofu. Vélræn prófun getur dregið úr þörf á notendaprófum á fyrstu stigum hönnunarferlisins.
Í þessu verkefni voru fjórar útfærslur stífnibreytinga prófaðar vélrænt. Svampur með ólínulega stífni var notaður í fyrstu útfærslu. Fallið var frá henni vegna eðlislægra takmarkana á stífleika efnisins við högg og hratt álag. Næst var hönnun þar sem notandi gat breytt stífni ökklans umtalsvert á fljótlegan hátt, prófuð í tölvu. Þá var valin hönnun sem byggði á bita með hreyfanlegum undirstöðum sem leiddi til tveggja mismunandi útfærslna á ökkla. Lokahönnunin er gervifótur sem býður upp á þráðlausa stillingu stífleika ökkla. Gervifóturinn var prófaður og metinn vélrænt og á notendum í göngugreiningu sem höfðu misst fót fyrir neðan hné. Niðurstöðurnar fyrir göngu upp og niður brekku voru bornar saman og reyndust sambærilegar.
Gera má ráð fyrir að þetta verkefni hvetji til þróunar tækja sem forgangsraða mikilvægum eiginleikum fóta ásamt því að koma fram með prófunaraðferð sem aðstoðar verkfræðinga og hönnuði stoðtækja við frekari þróun og prófanir.
