Auslegung von Multidomänen-Systemen - Analyse, Modellierung und Realisierung von mechatronischen Systemen am Beispiel einer aktiven Knieprothese:
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Stuttgart
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INHALTSVERZEICHNIS
VERZEICHNIS DER FORMELZEICHEN UND INDIZES XVI
ABBILDUNGSVERZEICHNIS XX
TABELLENVERZEICHNIS XXIV
1. EINLEITUNG - NOTWENDIGKEIT DER FORSCHUNG 1
1.1. GESELLSCHAFTLICHE HERAUSFORDERUNG 1
1.2. TECHNISCHE HERAUSFORDERUNG UND MOEGLICHKEITEN 2
1.3. STRUKTUR DER FORSCHUNGSARBEIT 3
2. DAS MENSCHLICHE GANGSYSTEM 7
2.1. DER NATUERLICHE GANG 7
2.2. DAS MENSCHLICHE SYSTEM KNIE 9
2.2.1. KOERPEREBENEN UND BEWEGUNGSRICHTUNGEN 9
2.2.2. DER KNOCHENBAU - ANATOMIE DES KNIEGELENKS 12
2.3. STAND DER TECHNIK - PROTHESENSYSTEME / KNIEPROTHESEN 13
2.3.1. TECHNOLOGISCHE EINTEILUNG DER KNIEPROTHESEN 16
3. SYSTEMATISCHES VORGEHENSMODELL FUER DIE ERARBEITUNG DER ANFORDERUNGEN
AN ANTRIEBSSYSTEME IN AKTIV UNTERSTUETZENDEN PROTHESENUND
ORTHESENSYSTEMEN 18
3.1. ANWENDUNG DES SYSTEMATISCHEN VORGEHENSMODELLS FUER DEN FALL DER
AKTIVEN KNIEPROTHESE 21
3.1.1. TYPISCHE DATEN EINER GANGANALYSE 21
3.1.2. FESTLEGUNG DES KOORDINATENSYSTEMS 22
3.1.3. EINTEILUNG DER MOTORISCHEN UND GENERATORISCHEN BEREICHE AM
KNIEGELENK WAEHREND EINES GANGZYKLUS 24
3.1.4. LEISTUNGSVERLAUF UND ENERGIEUMSATZ AM KNIE 25
3.1.5. ABLEITUNG VON CHARAKTERISTISCHEN KENNLINIENFELDERN FUER DIE
AUSLEGUNG VON AKTIVEN PROTHESEN- UND ORTHESENSYSTEMEN 31
3.1.6. BERUECKSICHTIGUNG DER PROTHESENGEOMETRIE 32
3.2. ANFORDERUNGEN AN DIE ELEKTRONIK 33
3.2.1. AUFZUBRINGENDE LEISTUNG DES ANTRIEBS 34
3.3. ZUSAMMENFASSUNG DER ANFORDERUNGEN AN DIE PROTHESE 35
XII
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IMAGE 2
4. MODULARER DYNAMIK-PRUEFSTAND 38
4.1. AUSGANGSSITUATION 38
4.2. REALISIERUNG DES MODULAREN DYNAMIK-PRUEFSTANDS 4 0
4.3. ANFORDERUNGEN AN DIE MECHANIK DES PRUEFSTANDS 40
4.4. KONZEPTION DES MODULAREN DYNAMIK-PRUEFSTANDS 4 4
4.5. KONSTRUKTION UND AUFBAU DES DYNAMIK-PRUEFSTANDS 4 8
4.6. SYSTEMATISCHE UND METHODENGESTUETZTE AUSWAHL VERSCHIEDENER
KINEMATIK-KONZEPTE T . 51
4.6.1. HEBELARMKONZEPT MIT STARRER GEOMETRIE - GRUNDKONZEPT FUER DIE
SYSTEMTHEORETISCHE BETRACHTUNG 54
4.6.2. GEOMETRISCHE GRUNDLAGEN - HEBELARMKONZEPT 56
4.7. VERWENDUNG DES DYNAMIK-PRUEFSTANDS WAEHREND DES ENTWICKLUNGSPROZESSES
62
5. SYSTEMTHEORETISCHE BETRACHTUNG 63
5.1. ABSTRAKTION DES SYSTEMS - IDENTIFIKATION DER TEIL-SYSTEME 63
5.2. RANDBEDINGUNG FUER DIE SYSTEMBESCHREIBUNG 66
5.3. EXPLIZITE BESCHREIBUNG DER GANGPARAMETER 68
5.4. EXPLIZITE BESCHREIBUNG DES GEFORDERTEN DREHMOMENTS 72
5.4.1. EXPLIZITE DARSTELLUNG DER WINKELPOSITIONSFUNKTION 74
5.5. AUSWAHL DER METHODE FUER DIE MODELLIERUNG DES SYSTEMS 76
5.6. ZUSTANDSRAUMMODELL 78
5.6.1. GRUNDMODELL FUER DIE MODELLIERUNG IN MATLAB/SIMULINK 79
5.6.2. ZUSTANDSDIFFERENZIALGLEICHUNG 81
5.6.3. EC-MOTOR IN DER ZUSTANDSRAUMDARSTELLUNG 83
5.6.4. ZUSTANDSRAUMMODELL - SIMULATION, VALIDATION, VERIFIKATION 88
5.6.5. SIMULATION - EC-MOTOR-MODELL 90
5.6.6. SIMULATION DES GESAMTMODELLS IM ZUSTANDSRAUM 92
5.6.7. ERGEBNISSE DER SIMULATION 95
5.7. BONDGRAPHENTHEORIE 98
5.7.1. DER BONDGRAPH 99
5.7.2. LEISTUNGSTORE (POWER PORTS) IN EINEM BONDGRAPHEN 104
XIII
IMAGE 3
5.7.3. UEBERSICHT UEBER VERSCHIEDENE LEISTUNGSTORE UND DEREN BESCHREIBUNG
IM BONDGRAPH 106
5.8. BONDGRAPHEN-DARSTELLUNG DES AKTIVEN KNIEPROTHESENSYSTEMS 108
5.8.1. DARSTELLUNG EINES EC-MOTORS ALS BONDGRAPH 109
5.8.2. MODELLIERUNG EINER PERMANENTERREGTEN SYNCHRONMASCHINE 111
5.8.3. MODELLIERUNG DES PLANETENGETRIEBES 113
5.8.4. MODELLIERUNG DER HEBELARMKINEMATIK 113
5.9. PORT-HAMILTON-MODELLIERUNG FUER MECHATRONISCHE SYSTEME 116
5.9.1. THERORETISCHE BESCHREIBUNG - HAMILTON SYSTEME 116
5.9.2. ZUSAMMENFASSUNG: MULTIDOMAENEN-MODELLIERUNG 117
5.9.3. HAMILTON-GLEICHUNG 118
5.9.4. DIRAC-STRUKTUR ALS BASIS-ELEMENT FUER PORT-HAMILTON-SYSTEME 119
5.9.5. PORT-HAMILTON-SYSTEM 120
5.9.6. MODELLIERUNG DER KNIEPROTHESE MITTELS
PORT-HAMILTON-METHODE....121
5.9.7. PORT-HAMILTON-SYSTEM (PHS) FUER DEN EC-MOTOR 123
5.9.8. UEBERPRUEFUNG DES PHS-EC-MOTOR-MODELLS 128
5.9.9. PORT-HAMILTON-SYSTEM FUER DAS GESAMTSYSTEM 131
5.9.1 O.SIMULATION MITTELS PHS-MODELL - ERGEBNISSE 134
5.10. ZUSAMMENFASSUNG - SYSTEMTHEORETISCHE ANALYSE UND SIMULATION ...
136
5.11. VERWENDUNG DER RESULTATE FUER DIE PRODUKTENTWICKLUNG 138
6. EIEKTROMECHANISCHES ANTRIEBSSYSTEM 139
6.1. STAND DER TECHNIK - ELEKTROMECHANISCHE ANTRIEBSSYSTEME 139
6.1.1. EINFUEHRUNG ELEKTRISCHE MOTOREN 140
6.1.2. PERMANENTERREGTE BUERSTENLOSE GLEICHSTROM MOTOREN (PERMANENT
MAGNET BRUSHLESS DC MOTOR DRIVES - PM BLDC MOTORS) 141
6.1.3. FUNKTIONSWEISE EINES DAUERMAGNET-MOTORS 141
6.1.4. FUNKTIONSWEISE PM-BLCD-MOTOR 143
6.2. * AUSWAHL DES ELEKTRISCHEN ANTRIEBS 145
6.2.1. MOTORINTEGRATION 148
6.3. GETRIEBEEINHEIT 152
6.3.1. DAS PLANETENGETRIEBE 153
XIV
IMAGE 4
6.3.2. MINIATURGEWINDETRIEB - TRAPEZ-SPINDEL 154
6.4. VARIANTEN DES ANTRIEBSSTRANGS 156
7. VERSUCHSDURCHFUEHRUNG 159
7.1. ZUSAMMENFASSUNG DER ERKENNTNISSE AUS DEN SIMULATIONEN 159
7.2. VERSUCHE 160
7.2.1. VERSUCHSAUFBAU 160
7.2.2. VERSUCHSDURCHFUEHRUNG MIT DEM DYNAMIK-PRUEFSTAND 166
7.2.3. VERSUCHSDURCHFUEHRUNG, KEGELSTIRNRAD-KINEMATIK 169
8. SYSTEM-REGELUNG UND SENSORTECHNIK FUER AKTIVE PROTHESEN 176
8.1. EINFUEHRUNG: STEUERUNGS- ODER REGELUNGSSYSTEM 177
8.2. REGELUNGSSYSTEM IN ELEKTRONISCHEN KNIESYSTEMEN 179
8.3. BESONDERE BERUECKSICHTIGUNG DES STAND-SCHWUNGPHASEN-UEBERGANGS.. 180
8.4. SENSORSYSTEME 185
8.4.1. BEWEGUNGSSENSORIK - INERTIALES NAVIGATIONSSYSTEM (INS) 185
8.4.2. AUSBLICK: WILLKUERLICHE STEUERUNG VON PROTHESEN -
ELEKTROMYOGRAFIESENSOREN (EMG) 187
9. ERGEBNIS UND DISKUSSION 189
10. AUSBLICK 192
10.1. WEITERE FORSCHUNGSARBEITEN 193
11. ZUSAMMENFASSUNG 195
12. SUMMARY 198
ANHANG A - GRUNDLAGEN AUS MATHEMATIK UND PHYSIK 201
ANHANG B - AUSWAHL MOEGLICHER KINEMATIK-KONZEPTE 210
ANHANG C - ROHDATEN AUS GANGANALYSEN 211
ANHANG D - MATLAB UND SIMULINK: FUNKTIONEN UND MODELLE 213
LITERATURVERZEICHNIS 218
X V
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