Design, development and testing of an adjustable above-knee prosthetic leg for toddlers.
Date
2017-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The aim of this research was to design and develop an above-knee lower limb
prosthetic that can be adjusted to facilitate the growth of a child for a duration of three-years, between the ages of three and five years. The lower age limit is selected to accommodate for the occurrence of a mature gait pattern.
Engineering requirements include a low-cost design and adjustability with respect to height, foot length and stiffness of the components. All requirements
were met. Design parameters were then determined to ensure a natural gait.
Concept designs were rated according to their respective design parameters so that a final design could be chosen.
The final design is lightweight, weighing 933 g (excluding a socket and foot cover). A low prototype cost of only R21 458 (Aug 2017) is incurred. The design consists of an ankle and foot prosthetic that is a single-axis, hinge-joint with a torsion spring of stiffness 808.59 Nmm/ which simulates the ankle stiffness and a removable footplate allowing for foot length adjustment. The pylon
component of the prosthetic consists of two overlapping tubes, constrained by a clamp to allow for a height adjustment of 45 mm. The knee component consists
of an Automatic Stance Phase Lock (ASPL) mechanism with an extension assist spring to allow for swing phase control. This design allows for the replacement of
the spring of 3.34 N/mm to adjust the swing speed. The overall knee flexion is 67.3 , which is large enough to allow for adequate toe clearance. The overall
design uses standard paediatric adapters, thus ensuring compatibility with other prosthetics.
To evaluate the functionality of the prosthetic device, prior to testing with children, a gait emulator was designed. This emulator controls a linear actuator
emulating vertical excursion of the hip during swing-phase; a rotary actuator emulating the extension and flexion angles of the hip, and the use of a Bertec
treadmill to emulate the horizontal motion of gait. Due to microcontroller timing limitations, the gait emulator did not allow for sufficient movement to occur
during toe-off, thus preventing the knee from unlocking and the ankle flexing.
When adjustments in height or foot length were made no changes in the gait kinematics occurred as is evident from the standard deviation for each age range
being smaller than 2.1 . It was noted that an extension assist spring of a lower stiffness, 2.416 N/mm, resulted in the lowest standard deviation of the knee angle at only 0.76 . This was likely due to the low weight of the prosthetic limb during emulation. It is recommended that a spring with a lower stiffness be used for lighter individuals.
Though sufficient moment could not be applied during the emulation, it can be
speculated that the knee can unlock and lock accurately via manual tests. In
conclusion, this prosthetic is entirely adjustable to facilitate three-year growth of
a child, between the ages of three to five years for a three year lifespan.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die doel van die studie is om ’n bo-die-knie onderste ledemaat prostese te ontwerp en te vervaardig wat verstel kan word om sodoende die groei van ’n kind oor drie jaar, tussen die ouderdom van drie en vyf jaar, te kan akkommodeer. Die laer ouderdom is gekies om die voorkoms van ’n volwasse loop-patroon in ag te neem. Ingenieursvereistes sluit lae-koste ontwerp en verstelbaarheid, in terme van lengte, voetlengte en styfheid van die onderdele in. Daar is voldoen aan al die vereistes. Ontwerpsparameters (of -grense) is hierna vasgestel om ’n natuurlike loop-patroon te verseker. Konsepontwerpe is gemeet volgens hulle onderskeie ontwerpsparameters sodat die finale ontwerp gekies kan word. Die finale ontwerp is lig en weeg 933 g (uitgesluit ’n potjie en voetbedekking). Die prototipe het ’n lae koste van slegs R21 458 (Aug 2017) beloop. Die ontwerp bestaan uit ’n enkel en voet prostese op ’n enkele as, skarnier-gewrig met ’n wringveer met ’n styfheid van 808.59 Nmm/ wat die enkelstyfheid simuleer, en ‘n verwyderbare voetplaat wat verstelbaarheid vir voetlengte moontlik maak. Die paal-komponent van die prostese bestaan uit twee oorvleuelende buise, wat met ’n klamp begrens word vir ’n hoogteverstelling van 45 mm. Die kniekomponent bestaan uit ’n geoutomatiseerde houdingsfase klem (Automatic Stance Phase Lock (ASPL)) meganisme met ’n verleng-hulp veer om toe te laat vir beheer tydens die swaaifase. Hierdie ontwerp laat die vervanging van die veer van 3.34 N/mm toe om die swaaispoed aan te pas. Die algehele kniebuiging is 67.3 , wat groot genoeg is vir voldoende toonspeling. Die algehele ontwerp gebruik standaard pediatriese koppelings en verseker dus aanpasbaarheid met ander prostese. Om die funksionaliteit van die prostetiese toestel te evalueer, voor dit op kinders getoets word, is ’n loop-nabootser ontwerp. Die nabootser beheer ’n lineêre aandrywer wat vertikale uitwyking van die heup gedurende die swaai-fase naboots; ’n roterende aaandrywer boots die verlengings- en buigingshoeke van die heup na, en die gebruik van ’n Bertec trapmeul boots die horisontale loopaksie na. Weens die tydsbeperkings van die irkobeheerder het die loopnabootser nie toegelaat vir voldoende beweging tydens die fase waar die toon van die grond af gelig word nie, wat dus die knie verhoed om te ontsluit en die enkel om te verleng. Nadat verstellings aangebring is in lengte of voetlengte was daar geen veranderinge in die loop-kinematika nie soos dit blyk uit die standaard afwyking van minder as 2.1 vir elke ouderdomsgroep. Daar is egter gesien dat ’n verleng-hulp veer met ’n laer styfheid, 2.416 N/mm, lei tot die laagste standaard afwyking van die knie se hoek teen slegs 0.76 . Hierdie is heel moontlik as gevolg van die lae gewig van die prostese tydens nabootsing. Daar word voorgestel dat ’n veer met ’n laer styfheid gebruik word vir individue met ’n laer liggaamsmassa. Alhoewel genoeg moment nie aangeheg kan word in die nabootser toets nie, kan dit gespekuleer word dat die knie kan sluit en ontsluit wanneer voldoende beweging aangewend word. Ter afsluiting, hierdie prostese is ten volle verstelbaar om ‘n kind tussen drie en vyf jaar te ondersteun vir drie groeijare.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die doel van die studie is om ’n bo-die-knie onderste ledemaat prostese te ontwerp en te vervaardig wat verstel kan word om sodoende die groei van ’n kind oor drie jaar, tussen die ouderdom van drie en vyf jaar, te kan akkommodeer. Die laer ouderdom is gekies om die voorkoms van ’n volwasse loop-patroon in ag te neem. Ingenieursvereistes sluit lae-koste ontwerp en verstelbaarheid, in terme van lengte, voetlengte en styfheid van die onderdele in. Daar is voldoen aan al die vereistes. Ontwerpsparameters (of -grense) is hierna vasgestel om ’n natuurlike loop-patroon te verseker. Konsepontwerpe is gemeet volgens hulle onderskeie ontwerpsparameters sodat die finale ontwerp gekies kan word. Die finale ontwerp is lig en weeg 933 g (uitgesluit ’n potjie en voetbedekking). Die prototipe het ’n lae koste van slegs R21 458 (Aug 2017) beloop. Die ontwerp bestaan uit ’n enkel en voet prostese op ’n enkele as, skarnier-gewrig met ’n wringveer met ’n styfheid van 808.59 Nmm/ wat die enkelstyfheid simuleer, en ‘n verwyderbare voetplaat wat verstelbaarheid vir voetlengte moontlik maak. Die paal-komponent van die prostese bestaan uit twee oorvleuelende buise, wat met ’n klamp begrens word vir ’n hoogteverstelling van 45 mm. Die kniekomponent bestaan uit ’n geoutomatiseerde houdingsfase klem (Automatic Stance Phase Lock (ASPL)) meganisme met ’n verleng-hulp veer om toe te laat vir beheer tydens die swaaifase. Hierdie ontwerp laat die vervanging van die veer van 3.34 N/mm toe om die swaaispoed aan te pas. Die algehele kniebuiging is 67.3 , wat groot genoeg is vir voldoende toonspeling. Die algehele ontwerp gebruik standaard pediatriese koppelings en verseker dus aanpasbaarheid met ander prostese. Om die funksionaliteit van die prostetiese toestel te evalueer, voor dit op kinders getoets word, is ’n loop-nabootser ontwerp. Die nabootser beheer ’n lineêre aandrywer wat vertikale uitwyking van die heup gedurende die swaai-fase naboots; ’n roterende aaandrywer boots die verlengings- en buigingshoeke van die heup na, en die gebruik van ’n Bertec trapmeul boots die horisontale loopaksie na. Weens die tydsbeperkings van die irkobeheerder het die loopnabootser nie toegelaat vir voldoende beweging tydens die fase waar die toon van die grond af gelig word nie, wat dus die knie verhoed om te ontsluit en die enkel om te verleng. Nadat verstellings aangebring is in lengte of voetlengte was daar geen veranderinge in die loop-kinematika nie soos dit blyk uit die standaard afwyking van minder as 2.1 vir elke ouderdomsgroep. Daar is egter gesien dat ’n verleng-hulp veer met ’n laer styfheid, 2.416 N/mm, lei tot die laagste standaard afwyking van die knie se hoek teen slegs 0.76 . Hierdie is heel moontlik as gevolg van die lae gewig van die prostese tydens nabootsing. Daar word voorgestel dat ’n veer met ’n laer styfheid gebruik word vir individue met ’n laer liggaamsmassa. Alhoewel genoeg moment nie aangeheg kan word in die nabootser toets nie, kan dit gespekuleer word dat die knie kan sluit en ontsluit wanneer voldoende beweging aangewend word. Ter afsluiting, hierdie prostese is ten volle verstelbaar om ‘n kind tussen drie en vyf jaar te ondersteun vir drie groeijare.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2017.
Keywords
Limb, Lower -- Prosthesis, Leg prostheses -- Toddlers, Adjustable prosthetic, Prosthesis industry, UCTD