Development of an improved monocentric mechatronic prosthetic knee joint for knee disarticulated and long stump amputees

The development of advanced mechatronic prostheses represents a crucial engineering challenge to improve amputees' quality of life. For knee disarticulated patients using monocentric prosthetic knees such as the C-Leg or Genium, there is currently no satisfactory solution. The prosthetic knee axis is positioned too low, causing limb length discrepancy when seated, with negative repercussions in daily activities like kneeling or sitting on bus or airplane seats. Proper axis alignment not only resolves these cosmetic and functional issues but also enhances the swing phase of gait, thanks to more favorable mass distribution. Although the knee disarticulation population is small, this surgical option is often avoided precisely due to the lack of adequate prostheses, with transfemoral amputations being preferred instead. However, even above-knee amputees could benefit from a prosthesis with a higher-positioned axis, ensuring better biomechanics and stability. This thesis is based on the initial 2014 Knee-Ex prototype by Ottobock, protected by patent DE102014015756 B3. Our work represents a comprehensive re-engineering process that goes far beyond simple refinements of the original design. We have completely redesigned the system, developing not only an improved prosthetic socket and a new bearing assembly but also an entirely new frame architecture, an optimized lever mechanism, and integration of the sophisticated Genium X4 hydraulic system. The first evaluations of our redesigned Knee-Ex prototype show promising results. The new configuration successfully maintains correct anatomical alignment of the knee axis while integrating advanced hydraulic control technology from Genium X4. The modular design approach provides significant practical advantages in terms of manufacturability and future adaptability. However, we recognize that the weight of the current prototype remains a limitation, requiring further optimization through in-depth structural analysis. Looking ahead, this research opens new perspectives for prosthetic development that could benefit a wider range of lower-limb amputees. The knowledge gained from this knee disarticulation-focused project could inspire future developments in transfemoral prostheses, contributing to more natural and functional solutions across the entire spectrum of lower-limb amputations.

Lo sviluppo di protesi meccatroniche avanzate rappresenta una sfida ingegneristica cruciale per migliorare la qualità della vita dei pazienti amputati. Per le persone con disarticolazione del ginocchio che utilizzano protesi monocentriche come il C-Leg o il Genium, non esiste attualmente una soluzione soddisfacente. L'asse del ginocchio protesico risulta posizionato troppo in basso, causando una discrepanza nella lunghezza degli arti quando seduti, con ripercussioni negative nelle attività quotidiane come inginocchiarsi o sedersi su autobus e aerei. Un corretto allineamento dell'asse non solo risolverebbe questi problemi estetici e funzionali, ma migliorerebbe anche la fase oscillante del passo, grazie a una distribuzione della massa più favorevole. Sebbene la popolazione con disarticolazione del ginocchio sia limitata, questa opzione chirurgica viene spesso evitata proprio a causa della mancanza di protesi adeguate, preferendo invece amputazioni transfemorali. Tuttavia, anche gli amputati sopra il ginocchio potrebbero trarre beneficio da una protesi con asse posizionato più in alto, garantendo una migliore biomeccanica e stabilità. Questa tesi si basa sul prototipo iniziale Knee-Ex sviluppato da Ottobock nel 2014, protetto dal brevetto DE102014015756 B3. Il nostro lavoro rappresenta un processo completo di re-ingegnerizzazione che va ben oltre semplici perfezionamenti del progetto originale. Il sistema è stato completamente riprogettato, sviluppando non solo un'articolazione protesica migliorata e nuovo sistema di cuscinetti, ma anche una nuova architettura del telaio, un meccanismo a leve ottimizzato e l'integrazione del sofisticato sistema idraulico Genium X4. Le prime valutazioni del nostro prototipo riprogettato Knee-Ex mostrano risultati promettenti. La nuova configurazione mantiene con successo il corretto allineamento dell’asse del ginocchio anatomico integrando al contempo l'avanzata tecnologia di controllo idraulico del Genium X4. L'approccio progettuale modulare offre significativi vantaggi pratici in termini di producibilità e adattabilità futura. Tuttavia, riconosciamo che il peso dell'attuale prototipo rimane una limitazione, che richiederà ulteriore ottimizzazione attraverso analisi strutturali approfondite. Guardando al futuro, questa ricerca apre nuove prospettive per lo sviluppo protesico che potrebbero beneficiare una più ampia gamma di amputati degli arti inferiori. Le conoscenze acquisite da questo progetto focalizzato sulla disarticolazione del ginocchio potrebbero ispirare futuri sviluppi nelle protesi transfemorali, contribuendo a soluzioni più naturali e funzionali nell'intero spettro delle amputazioni degli arti inferiori.