Exoskelett der unteren Extremitäten - Parallele Elastizität (L2Exo-PE)
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Projektbeschreibung
Lähmung ist ein funktioneller Verlust einzelner oder mehrerer Muskeln der Skelettmuskulatur. Entsprechend der Ursache der Lähmung sind verschiedene Therapieansätze möglich. Einerseits kann mit einer automatisierten Bewegungs-Therapie ein rehabilitatives Training realisiert werden, andererseits kann die Kompensation fehlender motorischer Funktion durch Aktoren ersetzt werden. In diesem Forschungsprojekt sollen eine neue Klasse von Aktoren und die Regelung von Exoskeletten und aktiven Orthesen grundsätzlich erforscht werden, die sich besonders für Patienten mit Restfunktion (Schlaganfallüberlebende) eignen. Die Eignung für querschnittsgelähmte Patienten wird in einer späteren Phase des Projektes untersucht.
Als Kernkomponente konzentriert sich das Projekt auf die Konstruktion neuartiger variabel-parallel-elastischer Aktoren (VPEA) für die Bewegungsunterstützung der unteren Extremität. Um den Energiefluss in die parallele Feder vollständig steuern zu können, ist der Aktor mit einer Bremse und einer Kupplung ausgestattet. Dieser Ansatz soll die notwendige Leistungsaufnahme minimieren und den Patienten mit motorischer Restfunktion intensiver in die Bewegung während der Therapie einbeziehen. Parallel zur Entwicklung des Aktors soll ein nichtlineares dynamisches Modell erforscht werden, das neben dem hybriden elektromechanischen Modell auch physiologische und dynamische Submodelle des Gesamtsystems enthält.
Die erhöhte Komplexität des Antriebs verlangt nach einem mehrkriteriellen Regelerentwurf. Neben kaskadierten Kraft- und Impedanzreglern (assist as needed Prinzip) muss der Energiefluss in das parallele elastische Element geregelt werden. Darüber hinaus muss die Reglersynthese in Bezug auf ein überaktuiertes System mit mehreren betätigten Gelenken erfolgen. Außerdem muss die Regelung die Interaktionsstabilität in Bezug auf mögliche Restfunktionen des Trägers gewährleisten. Um diese Ziele erreichen zu können, wird eine kaskadierte Reglerstruktur mit möglichen Kombinationen von robuster Regelung für geschaltete Systeme, iterative lernende Regelung oder modellprädiktive Regelung untersucht.
Ziel ist es, ein bewährtes Rehabilitationssystem zu schaffen, das für beide Patientengruppen geeignet ist. Nach der Integration des Aktors in ein bestehendes Exoskelett und Bewegungsversuchen wird auch ein kommerzielles FES-System in Kombination mit VPEA untersucht. Zu diesem Zweck soll ein synergistischer physiologischer Regler entwickelt werden, der Muskeln und VPEA zusammen für die Bewegung antreibt. Das Gesamtziel dieses Arbeitspakets ist die Erweiterung des Exoskeletts auf die Gruppe der Querschnittsgelähmten.
Studentische Arbeiten
Auf dem spannenden Gebiet der Rehabilitationsrobotik und Exoskelette freuen wir uns immer über begeisterte Studenten aus den Studiengängen Elektrotechnik oder Maschinenbau. Methodisch sind die zu bearbeitenden Themen hauptsächlich in den folgenden Bereichen angesiedelt:
- Regelungstheorie: Entwurf und Validierung verschiedener Steuerungskonzepte
- Elektronik: Sensorischer Entwurf
- Mechanik: Konstruktion und Design
Wenn Sie sich für ein bestimmtes Thema interessieren und Ihre eigenen Ideen verwirklichen wollen, rufen Sie an oder schreiben Sie eine E-Mail an den Betreuer.