Kleinmotoren Gehen ohne Krücken mit Kleinmotoren und Drehmomentsensor

Quelle: Technische Hochschule Lausanne, Dr. Fritz Faulhaber GmbH& Co. KG

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Patienten mit fortschreitender Muskelschwäche (Muskeldystrophie) leiden häufig an großen Einschränkungen ihrer Beweglichkeit. Das Exoskelett „Autonomyo” kann die geschwächten Muskeln unterstützen. Die zusätzliche Kraft kommt aus Kleinmotoren mit eigens integrierten magnetischen Drehmomentsensoren.

Das Exoskelett mit Kleinmotoren und magnetischen Drehmomentsensoren von Faulhaber ebnet den Weg zum selbstbestimmten Gang im Gleichgewicht.
Das Exoskelett mit Kleinmotoren und magnetischen Drehmomentsensoren von Faulhaber ebnet den Weg zum selbstbestimmten Gang im Gleichgewicht.
(Bild: Reha Assist)

„Wenn sich eine Muskelschwäche in den Beinen manifestiert, wird das Gehen immer schwerer, und irgendwann funktioniert es ohne Stützen gar nicht mehr“, erklärt Mohamed Bouri, Leiter der Forschungsgruppe für Rehabilitation und Assistenzrobotik (Reha Assist) an der Technischen Hochschule Lausanne in der Schweiz (EPFL).

„Die Muskeln funktionieren zwar noch, haben aber nicht mehr genügend Kraft für einen stabilen Stand oder eine eigenständige Beinbewegung. Das hat enormen Einfluss auf Bewegungsradius und Lebensqualität. Ähnliche Auswirkungen hat eine halbseitige Lähmung nach einem Schlaganfall. Unser Ziel war es, diese Einschränkungen so weit wie möglich zu überwinden, und zwar mit Hilfe einer motorisierten Hilfsvorrichtung, bei der die Patienten zu ihren eigenen Bewegungen beitragen können.“

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Wie funktioniert die Neuentwicklung?

Übliche Exoskelette, die es etwa Querschnittsgelähmten ermöglichen, ohne Krücken zu gehen, wiegen oft über 40 kg. Der von Reha Assist entwickelte „Autonomyo" ist mit nur 25 kg deutlich leichter und arbeitet unter Einbeziehung des geschwächten, aber noch teilweise funktionierenden Bewegungsapparats des Patienten. Er wird mit einem Korsett am Rumpf und mit Manschetten an den Beinen befestigt. Auf jeder Seite liefern drei Kleinmotoren die Kraft, die den Muskeln für die Bewegung fehlt. Je ein Motor ist für Beugung und Streckung von Hüfte und Knie zuständig. Der dritte Kleinmotor unterstützt die Abduktion und Adduktion des Beins im Hüftgelenk, also die seitliche Bewegung von der Körpermittelachse weg. Die Motoren helfen somit dem Patienten das Gleichgewicht zu halten und aufrecht zu gehen. Eine kürzlich durchgeführte klinische Studie u.a. mit gehbehinderten Personen zeigte, dass das Exoskelett wie vorgesehen funktioniert: es bot die Bewegungsfreiheit entsprechend der Absichten der Benutzer und beeinflusste den Bewegungsumfang der Gelenke sowie der Gangkadenz nicht negativ.

Das Exoskelett kann geschwächte Muskeln unterstützen und erlaubt einen intuitiven Bewegungsablauf, der dem natürlichen folgt.

„Der erste Auslöser zum Losgehen drückt sich in einer kleinen Veränderung der Position der unteren Gliedmaßen aus“, so Mohamed Bouri. Dies werde durch die Kombination der Informationen von einer Trägheitsmesseinheit, acht Lastsensoren an den Fußsohlen und den Encodern der Motoren, die als Gelenkpositionssensoren dienen, erkannt. Diese Daten tragen überdies zur Unterstützung des Gleichgewichts bei. Laut Mohamed Bouri ist beim Gehen die Interaktion zwischen dem Exoskelett und seinem Benutzer entscheidend. Ein von Faulhaber (vgl. Firmenkasten) entwickelter magnetischer Drehmomentsensor erfasst diese für die Unterstützungsstrategie wichtige Wechselwirkung.

Magnetischer Drehmomentsensor als Alternative zu Dehnungsmessstreifen

Zur Drehmoment-Erfassung werden zumeist von der einwirkenden Kraft verformbare Dehnungsmessstreifen eingesetzt. Ein konstruktiver Schwachpunkt ist die Klebeverbindung für deren Aufbringung. Entwickler von Faulhaber ersetzten sie deshalb durch ein hochauflösendes magnetisches Messsystem, mit dem sich im Messbereich von +/- 30 Nm eine Abweichung von weniger als 1,5 % erreichen lässt. Der magnetische Drehmomentsensor liefert also einen hochpräzisen Wert des Reaktionsmoments in der Gehbewegung, der eine zentrale Bedeutung für die Steuerung des Exoskeletts hat. „Die Anpassung des Geräts an einzelne Patienten erfordert eine sehr differenzierte Kalibrierung des Gesamtsystems. Anhand der verschiedenen Parameter und der Rückkopplung aus der Bewegung errechnet die Software die Steuersignale für die Antriebe. Art und Umfang der Unterstützung durch die Kleinmotoren werden dann auf Basis dieser Informationen bestimmt“, erläutert der Leiter der Forschungsgruppe Reha Assist.

Welche Anforderungen werden an die Antriebsleistung gestellt?

Kernstück der sechs verbauten Antriebseinheiten ist der kompakte bürstenlose Motor 3274 BP4 mit 32 mm Durchmesser, der ein Nenndrehmoment von 158 mNm liefert. Seine Kraft wird von einem Planetengetriebe 42 GPT mit einer speziell für diese Anwendung gefertigten Welle übertragen. Der Encoder IE3 liefert die Positionsdaten an die Steuerung. Der magnetische Drehmomentsensor ist in den Getrieben der vier Kleinmotoren für die Flexions- und Extensionsbewegungen von Knie und Hüfte integriert.

Die Antriebsspezialisten aus Schönaich

Faulhaber ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Einsatz von hochpräzisen Klein- und Kleinstantriebssystemen, Servokomponenten und Steuerungen bis zu etwa 250 Watt Abgabeleistung. Dazu zählt die Realisierung von kundenspezifischen Komplettlösungen ebenso wie ein umfangreiches Programm an Standardprodukten wie bürstenlose Motoren, DC-Kleinstmotoren, Encoder und Motion Controller. Die Marke Faulhaber steht nach Aussagen des Unternehmens für hohe Qualität und Zuverlässigkeit in komplexen und anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie Medizintechnik, Fabrikautomation, Präzisionsoptik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Robotik. Vom leistungsstarken DC-Motor mit 224 mNm Dauerdrehmoment bis zum filigranen Mikroantrieb mit 1,9 Millimetern Außendurchmesser umfasst das Faulhaber Standardportfolio mehr als 25 Millionen Möglichkeiten, ein optimales Antriebssystem für eine Anwendung zusammenzustellen. Dieser Technologiebaukasten ist zugleich die Basis für Modifikationen, um auf besondere Kundenwünsche für Sonderausführungen eingehen zu können.

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Suche nach passendem Lieferanten nicht schwierig

Die Anforderungen an die Antriebseinheiten seien typisch für Faulhaber-Kleinmotoren: große Leistung beim kleinstmöglichen Volumen und Gewicht, Präzision, Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer. Die Suche nach dem passenden Lieferanten war nach Aussagen von Mohamed Bouri nicht besonders schwierig: „Durch die Definition der Spezifikationen war die Auswahl der in Frage kommenden Motoren schon sehr überschaubar. Die fakultätsübergreifende Astrophysik-Forschungsgruppe unserer Universität arbeitet bereits mit Faulhaber zusammen, so dass sie überzeugende Empfehlungen aussprach. Hinzu kam, dass Faulhaber in der Lage war, den Drehmomentsensor in kürzester Zeit zu entwickeln, was für unser Projekt sehr wichtig war.“

Welche Entwicklungspotenziale hat die Neuheit?

Der magnetische Drehmomentsensor gehört vorerst nicht zu den Serienprodukten und wurde bisher nur für die beschriebene Anwendung mit dem Exoskelett in kleiner Stückzahl gefertigt. Weitere Einsatzgebiete sind aber dort denkbar, wo sehr genaue Drehmomentwerte gemessen werden müssen, zum Beispiel in haptischen Anwendungen wie der Roboterassistenz im Operationssaal, bei der der Chirurg das Instrument führt und die Maschine für Kraft und Präzision sorgt. Der Sensor kann aber auch bei der Drehmomentbegrenzung eine Schutzfunktion übernehmen. Außerdem bietet er sich für die Dokumentation in der Qualitätssicherung an.

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