Smart Material Prosthetic Ankle: Employing material properties for variable stiffness

Abstract

The inspiration for this research is the natural graduation in stiffness of the biological ankle, over a wide range of ambulation tasks. The goal is to achieve variable stiffness in the force response of a prosthetic foot, utilizing the properties of smart materials. This thesis presents the design and prototyping of a coupling that utilizes the discontinuous change in viscosity observed in shear thickening fluids. A speed dependent stiffness is achieved with the coupling installed in a system of springs. The coupling design presented is used in the modification of a commercially available prosthetic foot. The stiffness of the prototype foot depends on the rate of movement, ranging from a dissipating support at very slow walking speed, to efficient energy storage and return at normal walking speed. Providing energy return during walking is an important design objective for passive prosthetic feet. The objective of this work is to design a prosthetic foot that provides a damped compliant support for slow ambulation without sacrificing the spring like energy return that is beneficial in normal walking. The function of the original prosthetic foot was analyzed in a finite element model to acquire the parameters for the improved design. The coupling was developed and characterized by uniaxial testing. A prototype prosthetic foot was designed and built, and the speed dependent stiffness measured mechanically. Furthermore, the prototype was tested by a user and body mechanics measured in gait analysis for varying walking speed, comparing the prototype to the original foot model. The results confirm speed dependent stiffness introduced by the novel device.

Innblásturinn að þessari rannsókn er náttúrulegur breytileiki í stífni líffræðilegs ökkla við mismunandi hreyfingu. Markmiðið er að ná fram breytilegri stífni gervifótar í svörun við álagi með virkum efniseiginleikum snjallefna. Þessi ritgerð lýsir hönnun og gerð frumgerðar á kúplingu sem nýtir sérstaka skerþykkjandi efniseiginleika vökva (e. shear thickening fluids) sem felast í skyndilegri, ósamfelldri breytingu á seigju vökvans. Hraðaháð stífni næst með kerfi af hlið- og raðtengdri fjöðrun, þar sem kúplingin er notuð við yfirfærslu krafta í kerfinu. Þekkt hönnun á gervifæti er endurbætt með kúplingu sem breytir virkni fótarins. Stífni fótarins veltur þannig á hraða hreyfingar notandans, allt frá því að veita dempandi stuðning á mjög hægum gönguhraða, að því að veita fjaðrandi endurgjöf á venjulegum gönguhraða. Mikilvægt markmið í hönnun gervifóta er að hámarka orkunýtni þeirra. Markmiðið þessarar vinnu er að hanna gervifót sem veitir mjúkan stuðning við hægar hreyfingar, án þess að fórna þeirri orkunýtni sem hjálpar notandanum í venjulegri göngu. Virkni gervifótarins var greind með einingaraðferð (e. FEM) til að greina breytur og stærðir sem notaðar eru í endurbættu hönnunina. Kúplingin var þróuð og eiginleikar hennar staðfestir með prófunum. Frumgerð gervifótar var hönnuð og smíðuð, og hraðaháð stífni mæld. Ennfremur voru framkvæmdar notendaprófanir og göngugreining á mismunandi gönguhraða þar sem frumgerðin var borin saman við upprunalega gervifótinn. Niðurstöður prófana staðfestu hraðaháða stífni nýrrar hönnunar.