Numerical analysis of the structural behaviour of Running Prosthetic Feet and validation against paralympic athletes treadmill running data

Carbon fiber Running Specific Prostheses (RSPs) have allowed athletes with lower extremity amputations to recover their functional capability of running. RSPs are designed to replicate the spring-like nature of biological legs: they are passive components that mimic the tendons elastic potential energy storage and release during ground contact. The knowledge of loads acting on the prosthesis is crucial for evaluating the athletes running technique, prevent injuries and designing Running Prosthetic Feet (RPF). In this work the elastic behaviour of the Ottobock Runner Standard Cat 4.0 RPF was investigated in detail trough in-vitro mechanical tests and an in-vivo one on a Paralympic Champion. The aim of this work is to develop a numerical model able to predict the loads acting on the prosthesis starting from the displacement of the foot registered in-vivo. At first the foot was tested in-vitro thanks to a servo hydraulic bench equipped with two cylinders and several possibilities of regulation. Thanks to this bench several load conditions were tested in terms of applied forces and ground inclination in order to calculate a stiffness value that can be associated with each instant of the step during an in-vivo application. Afterward a finite element model was developed in the Ansys software in order to simulate the foot behaviour during the in-vitro tests and it was calibrated with the experimental stiffness curves. From the acquired data it was possible to apply also a mathematical model able to predict the foot elastic behaviour in every possible load condition, called Virtual Stiffness Map (VSM). Finally an in-vivo test was performed on the Paralympic champion Martina Caironi on an instrumented treadmill. During this test both a Motion Capture system and some force platforms were used to obtain both cinematics and kinetics data. The displacements’ field obtained from the test has was assigned both to the FEM and to the VSM model in order to retrieve the reaction forces generated from the foot interaction with the ground.

Le protesi specifiche da corsa in fibra di carbonio (RSPs) hanno permesso agli atleti con amputazioni degli arti inferiori di recuperare la loro capacità funzionale della corsa. Le RSPs sono progettate per replicare il comportamento elastico delle gambe biologiche: sono componenti passivi che imitano il potenziale elastico dei tendini nello stoccaggio e nel rilascio di energia durante il contatto con il suolo. Conoscere i carichi agenti su queste protesi è fondamentale per analizzare le tecniche di corsa degli atleti, prevenire infortuni e progettare nuovi Running Prosthetic Feet (RPF). All’interno di questo elaborato il comportamento elastico del RPF Ottobock Runner Standard Cat 4.0 è stato studiato nel dettaglio attraverso prove meccaniche a banco e test in-vivo con una campionessa paraolimpica. Lo scopo del lavoro è quello di creare un modello numerico che permetta di calcolare i carichi agenti sulla protesi sulla base della sua deformazione registrata durante i test in-vivo. Dapprima il piede è stato testato in-vitro grazie ad un banco prova servo idraulico dotato di 2 attuatori e diverse possibilità di regolazione. Quest ultimo ha permesso di testare configurazioni di carico differenti in termini di forze applicate ed inclinazione del suolo per ottenere un valore di rigidezza da associare ad ogni momento del passo dell’atleta durante l’utilizzo in-vivo del RPF. E’ stato quindi sviluppato un modello agli elementi finiti grazie al software commerciale Ansys, una volta calibrato sulle curve sperimentali, simula il comportamento del piede durante i test sul banco servo idraulico. Inoltre dagli stessi dati ottenuti in-vitro anche un modello matematico che permette di prevedere il comportamento elastico del RPF in qualsiasi condizione di carico chiamato Virtual Stiffness Model (VSM) è stato applicato. Dopo di che è stato eseguito un test in-vivo con la campionessa Paralimpica Martina Caironi su un tapis roulant strumentato. Durante questo test sono stati utilizzati un sistema di Motion Capture e alcune pedane di forza per ottenere dati cinetici e cinematici associati alla corsa. Il campo di spostamenti così ottenuto è stato assegnato sia al modello FEM che a quello della VSM in modo tale da ricavare le reazioni vincolari generate dall’interazione del piede con il suolo al momento del contatto.