Design, development and engineering of a bench for testing lower limb prosthesis, with focus on high-technological solutions

In the recent past, lower-limb prostheses technological advancement mostly concerned the possibility of integrating ever smaller and more powerful electronic components instead of new materials and topologies. For instance, the electronic knee prostheses currently on the market guarantee maximum yield through sensors and actuators that allow to adjust in real time the characteristics and thus the response of the device itself. Although sophisticated, products currently on the market are far from able to guarantee the same opportunities of their biological counterpart. On the one hand, developing a commercially viable prosthesis that is humanlike as well as economical is a challenging design problem. On the other hand, suitable development and verification methods are missing. Indeed, the legislation in force merely identifies structural tests to verify that the prostheses ensure adequate strength properties during their use. Test methods for the assessment of the functional performances of the whole prostheses are missing. Hardware-In-the-Loop simulation concept represents a useful approach from this point of view. Indeed, it allows to integrate the user behavior into the prosthetic development process removing the limitations related to in-vivo tests. However, the realization of a reliably operating physical solution requires the development of complex mechanical design and sophisticated control strategies. The considerations and the steps performed by the author to achieve these goals are reported in this document. In particular, the bench definition process is performed in order to overcome the most significant challenges of gait simulators, i.e. operating at physiologically correct velocities, applying full scale ground reaction forces and simulating motion in all three planes (sagittal, coronal and transverse).

Nel corso degli ultimi anni, l’avanzamento tecnologico delle protesi di arto inferiore non ha riguardato tanto l’impiego di nuove forme e materiali, quanto la possibilità di integrare al loro interno dispositivi elettronici sempre più piccoli e potenti. Per esempio, le protesi elettroniche di ginocchio attualmente in commercio garantiscono massimo rendimento grazie all’impiego di sensori ed attuatori che permettono di regolare in tempo reale le caratteristiche e quindi la risposta del dispositivo stesso. Sebbene sofisticati, i prodotti attualmente sul mercato sono ben lungi dall'essere in grado di garantire le stesse opportunità della loro equivalente struttura biologica. Da una parte, realizzare una protesi tanto sofisticata a condizioni commercialmente accettabili è un problema progettuale complesso. Dall’altra, mancano adeguati metodi di sviluppo e di verifica. La normativa vigente identifica infatti solo test di tipo strutturale per accertare che le protesi garantiscono adeguate caratteristiche di resistenza durante il loro utilizzo. Non esistono metodi di prova che consentano di valutare le prestazioni funzionali delle protesi. Le tecniche di verifica Hardware-In-the-Loop garantirebbero sostanziali vantaggi da questo punto di vista. Tale approccio permetterebbe infatti di integrare il comportamento dell'utente nel processo di sviluppo protesico rimuovendo i limiti associati ai metodi di prova in vivo. Tuttavia, la realizzazione di una soluzione fisica affidabile richiede lo sviluppo di complesse architetture meccaniche e la definizione di sofisticate strategie di controllo. Le considerazioni e le operazioni eseguite dall'autore per raggiungere questo obiettivo sono riportate nel presente documento. In particolare, il processo di definizione del banco è eseguito al fine di superare i limiti più significativi dei simulatori di cammino esistenti, ovvero operare a velocità fisiologicamente corrette, applicare forze confrontabili con quelle reali e simulare il movimento in tre dimensioni.