Exoskelett der unteren Gliedmaßen - Serielle Elastizität (L2Exo-SE)
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Projektbeschreibung
Tragbare Exoskelette für die unteren Gliedmaßen können Patienten mit eingeschränkter Gehfähigkeit, z.B. aufgrund einer Halbseitenlähmung nach einem Schlaganfall, oder auch Patienten ohne Restfunktion des Bewegungsapparates der unteren Gliedmaßen unterstützen. Die Unterstützung erfolgt, indem zusätzliche Drehmomente auf die Gelenke des Patienten ausgeübt werden. Am MedIT erforschen wir neuartige Antriebskonzepte und verschiedene Steuerungsansätze, um solche Systeme sicherer und benutzerfreundlicher zu machen. Zu diesem Zweck haben wir zwei verschiedene Exoskelette für die unteren Gliedmaßen entwickelt. Ein Exoskelett ist für halbseitig gelähmte Patienten mit Restfunktionen und das andere für Patienten ohne Restfunktionen, z.B. Menschen mit Querschnittslähmung, konzipiert.
Unser L²Exo-SE ermöglicht die Unterstützung des Patienten durch Aktoren mit variabler Steifigkeit (VSAs). Diese Aktuatoren zeichnen sich durch eine elastische, einstellbare Kopplung zwischen dem Exoskelett und dem Patienten aus, wodurch eine höhere Sicherheit gewährleistet wird. Zusätzlich fungiert das elastische Element als Drehmomentsensor für das Mensch-Maschine-Interaktionsmoment, indem es die Federauslenkung mit hochpräzisen Encodern misst.
Ein entscheidender Punkt bei der kooperativen Unterstützung der Ruhemotorik des Patienten mit diesen VSAs ist die Erkennung der Bewegungsabsicht des Patienten. Unser Ansatz zur Bewältigung dieser Herausforderung basiert auf systemtheoretischem Wissen. Mit Hilfe detaillierter mathematischer Modelle des dynamischen Verhaltens des Exoskeletts und des Patienten sowie der Messung des Interaktionsmoments über den elastischen Aktuator können wir die Bewegung des Patienten in Echtzeit abschätzen. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass der Patient nicht mit zusätzlichen Sensoren wie Elektroden zur Messung der Muskelaktivität ausgestattet werden muss.
Detaillierte Kenntnisse über die Bewegungsabsicht des Patienten sind für die Umsetzung weiterer Steuerungsstrategien unerlässlich. So lässt sich zum Beispiel ein E-Bike-ähnliches Verhalten des Exoskeletts realisieren, bei dem ein bestimmter Unterstützungsfaktor das Drehmoment des Probanden verstärkt. Andererseits können die Informationen über das Gelenkdrehmoment des Patienten auch genutzt werden, um die Kraft und Ermüdung des Patienten während des Rehabilitationstrainings zu quantifizieren.
Unser Ziel ist es, die Konzepte von Aktuatoren mit variabler Steifigkeit, patientenkooperativer Steuerung, Ermüdungsabschätzung und Gangstabilisierung zu einem Gesamtkonzept zu kombinieren, das Patienten und Physiotherapeuten beim Rehabilitationstraining sicher und benutzerfreundlich unterstützt.
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.