Motor mit hoher Leistungsdichte Kleiner DC-Servomotor macht den Fuss beweglicher

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Die Knöchelgelenksprothese D-Ankle vom polnischen Orthopädiehersteller Design Pro Technology erlaubt biomechanische korrekte Bewegungen bei jedem Schritt und in jedem Gelände. Der künstliche Fuss wird dabei aktiv an- und abgewinkelt. Eine intelligente Steuerung findet den passenden Rhythmus, für den Antrieb sorgt ein kleiner, dabei aber kräftiger DC-Servomotor.

Moderne Prothesen verfügen über Gelenke, Steuerungsalgorithmen und federnde Elemente aus Hightech-Materialien. Das Gangbild kommt mit ihrer Hilfe dem natürlichen oft schon recht nahe. Manche sind sogar für Höchstleistungen ausgelegt: Unterschenkelamputierte Athleten mit Karbonprothesen erzielen auf der Kurzstrecke hervorragende Laufzeiten. Solche Sportprothesen sind aber für schnelles Laufen konzipiert, dagegen ist das Stillstehen und die Ausübung normaler Tätigkeiten mit ihnen schwierig oder sogar unmöglich. Knöchelgelenksprothesen für den Alltagsgebrauch sind daher völlig anders konstruiert und entsprechen eher der natürlichen Anatomie: Sie bestehen aus einer Unterschenkel- und einer Fusskomponente, die über ein Gelenk miteinander verbunden sind. Das passive künstliche Knöchelgelenk hält die Prothese immer in einer vorhersehbaren Position, bietet aber nur einen sehr begrenzten Bewegungsspielraum bei der Fortbewegung.

«Beim Abrollen des Fusses in der Vorwärtsbewegung wird der Fuss in Richtung Unterschenkel gedrückt; beim Abstossen wird der Fuss durch die elastische Kraft wieder in eine nahezu senkrechte, feste Ausgangsposition gebracht», erklärt Marcin Dziemianowicz, der 2016 im polnischen Białystok die Firma Design Pro Technology gegründet hat. Mit einem interdisziplinären Team aus Ingenieuren, Orthopädietechnikern, Ärzten und Designern entwickelt und fertigt das Medizintechnikunternehmen individuelle orthopädische Hilfsmittel auf dem neuesten Stand der verfügbaren Technologie. Marcin Dziemianowicz fährt fort: «Diese feste Ausgangsposition konventioneller Knöchelgelenksprothesen entspricht aber nicht der natürlichen Stellung des Fusses während der Transferphase, also wenn der Fuss vom Boden abhebt. Es besteht also die Gefahr, dass die Prothesenfussspitze am Boden oder an kleineren Hindernissen hängenbleibt.» Mit dem neuen Produkt D-Ankle hat Design Pro Technology eine Knöchelgelenksprothese entwickelt, die den Fuss beim Gehen mit einem Motor aktiv bewegt und im Verlauf jedes Schrittes in einer anatomisch natürlichen Position hält.

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Unterstützung in der Schwung- und Stützphase

Entscheidend dabei ist die sogenannte Dorsalflexion, also das Anwinkeln des Fusses in Richtung Schienbein während der Schwungphase. «So ist der Abstand zwischen Zehenspitzen und Boden grösser, und die Stolpergefahr sinkt», erklärt Marcin Dziemianowicz. «Bei einer passiven Prothese macht der Träger eine kreisende Bewegung mit der Hüfte oder hebt das Bein höher an, um dieses Ziel zu erreichen. Diese Ausweichbewegungen sind mit unserer Prothese überflüssig; das Gehen wird natürlicher und weniger anstrengend.»

Wird der Prothesenfuss aufgesetzt, ändert sich für die Stützphase der Winkel ebenfalls; das Gelenk wird durch Motorkraft entsprechend gestreckt (Plantarflexion). Auch das trägt zu einem harmonischen Gangbild bei und spart Kraft. Lediglich die seitlichen Bewegungen, die ein natürliches Sprunggelenk zulässt, kann das künstliche nicht ausführen. Sie werden stattdessen als passive Verformung durch das elastische Kohlefaser-Material des Prothesenfusses ermöglicht. So hat der Fuss auch bei unebenem Boden vollen Sohlenkontakt.

Immer die optimale Fussstellung

Damit das funktioniert, verarbeitet die in der Prothese integrierte Steuerung die Signale mehrerer Sensoren, um die verschiedenen Phasen eines Schrittzyklus zu unterscheiden. Ein Potenziometer misst den Winkel zwischen Fuss und Unterschenkel; ein bilateraler Drucksensor erfasst die Belastung beim Auftreten des Fusses sowie die Entlastung in der Transferphase. Ein Beschleunigungsmesser erfasst die Gesamtbewegung einschliesslich Geschwindigkeit, Fussneigung und Steigung des Weges. «Ein Algorithmus führt die Signale der jeweils letzten Schritte zusammen und wertet sie aus», erläutert Marcin Dziemianowicz die Funktionsweise. «Aus diesen Daten wird dann der Gangrhythmus und für jede Schrittphase die optimale Stellung des Fusses abgeleitet.

Zum Beispiel wird das Sprunggelenk beim Bergaufgehen stärker angewinkelt als auf ebenem Boden und auch die Abstosskraft wird grösser, damit man den Anstieg leichter bewältigt. Beim Bergabgehen ist es andersherum, um einen möglichst guten Kontakt zwischen Sohle und Boden zu erreichen. Ausserdem lassen sich mit einer Smartphone-­App Parameter wie die Abstosskraft, die Empfindlichkeit des Drucksensors oder die Länge einer Schrittzyklusphase individuell anpassen.»

Die treibende Kraft: DC-Servomotor mit hoher Leistungsdichte

Ein integrierter Elektroantrieb sorgt für die Umsetzung der Steuerungssignale in die entsprechende Bewegung. Sein Kernstück ist ein bürstenloser Motor der Serie BP4 von Faulhaber, dessen Kraft auf eine Spindel übertragen wird. Motor und Spindel drehen in beide Richtungen und erzielen so die aktive Dorsal- und Plantarflexion des Fusses. Die hohe Energieeffizienz des Antriebs erlaubt eine Betriebszeit von 12 Stunden mit einer Batterieladung. Der Motor toleriert auch die erhebliche Wärmeentwicklung, die im Alltagsbetrieb auftreten kann.

«Unsere Vorgaben waren insgesamt ziemlich sportlich», erinnert sich Marcin Dziemianowicz. «Der Motor sollte in der Lage sein, eine Jogging-Bewegung mitzumachen, bei drei Schritten pro Sekunde also dreimal den kompletten Ablauf mit Dorsal- und Plantarflexion. Ausserdem sollten schnelle Tempo- und Richtungswechsel möglich sein. Die Anwendung erfordert also eine sehr hohe Geschwindigkeit und ein hohes Drehmoment und das bei möglichst geringem Volumen und Gewicht.» Und hier konnte der BP4-Motor punkten. Der kleine DC-Servomotor bringt weniger als die Hälfte an Gewicht auf die Waage als herkömmliche Motoren mit vergleichbarem Leistungsvermögen. Der Grund für die hohe Leistungsdichte und zugleich das Herzstück des Motors ist die Segment-Wicklung der Spule.

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Hoher Kupferanteil steigert Leistungsfähigkeit

Einzeln gewickelte Segmente werden überlappend ineinandergesteckt. Dadurch lässt sich in der Spule eine besonders grosse Menge Kupfer unterbringen. Der hohe Kupferanteil steigert die Leistungsfähigkeit des Motors. Weitere erwünschte Nebeneffekte dieses Spulenaufbaus sind eine hohe Wicklungssymmetrie mit minimalen Stromverlusten und ein entsprechend hoher Wirkungsgrad. «Wir haben verschiedene Antriebslösungen von führenden Motorenherstellern ausprobiert. Bei Faulhaber haben wir dann nicht nur das am besten passende Produkt, sondern auch kompetente technische Unterstützung bekommen», ergänzt Dziemianowicz.

Nach ausgiebigen und erfolgreichen Versuchsreihen mit zahlreichen Probanden wurde die Fussprothese Ende 2023 auf den Markt gebracht. Sie kann mit ihrem Standardadapter an jedem modularen Prothesenschaft befestigt werden und wird individuell vom Orthopädietechniker angepasst. Die Höhe der Ferse lässt sich variieren, sodass D-Ankle auch in einem Damenschuh mit Absatz getragen werden kann. Sollte die Batterieladung nach einem sehr langen Tag einmal nicht reichen, kann der Träger trotzdem wie auf einer passiven Prothese weitergehen. «Nach den positiven Erfahrungen mit dem kompakten DC-Motor und der guten Zusammenarbeit mit Faulhaber haben wir einige Ideen, diese oder ähnliche Antriebslösungen auch in anderen Prothesen zu nutzen», so Marcin Dziemianowicz abschliessend.

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