Entwicklung und Aufbau eines motorisierten Arm-Exoskelett-Prototyps - mechanische Konstruktion

Abstract

Motorisch beeinträchtigte Personen im Hand-/Armbereich haben oft Probleme beim Ausführen einfacher, aber dennoch äußerst wichtiger Bewegungen. Das Kratzen oder das Führen von Nahrungsmitteln zum Mund zählen zum Beispiel dazu. Man nennt diese Bewegungen auch „activities of daily living“ (ADL). Die Probleme betreffend der oberen Extremitäten schränken die Patienten in ihrer Unabhängigkeit stark ein. Um diesen Personen mehr Lebensqualität zurück zu geben, wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit ein Exoskelett entwickelt, welches eine Ausführung genau dieser Bewegungen ermöglichen soll. Die Entwicklung wurde auf zwei Diplomarbeiten aufgeteilt, wobei sich diese Arbeit mit der Entwicklung und Konstruktion einzelner Module eines Exoskelettprototyps für Menschen mit eingeschränkten motorischen Fähigkeiten der oberen Extremitäten beschäftigt. Die Entwicklung beinhaltet das Entwerfen geeigneter 3D-Druckteile und einer entsprechenden Gewichtskompensation für Freiheitsgrade mit einem hohen Drehmomentbedarf. Dabei wurde der Aufbau möglichst modular gestaltet, damit Module einfach ausgetauscht, oder falls gefordert, weggelassen werden können. Die zweite Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer elektrischen Steuerung, sowie einzelner Module. Besonderes Augenmerk galt der individuellen Anpassung des Exoskeletts an die unterschiedlichen Körpergrößen, wofür Spindeltriebe und Klemmmechanismen verwendet wurden. Das Exoskelett verfügt über insgesamt sechs passive und fünf aktiv angesteuerte Freiheitsgrade. Von den sechs passiven Freiheitsgraden können vier über Spindeltriebe und zwei über Klemmmechanismen verstellt werden. Somit ist es möglich, das Exoskelett an die unterschiedlichsten Rollstühle und Patienten anzupassen. Darüber hinaus wurde bei der Entwicklung auf einen großen abzudeckenden Bewegungsraum geachtet. Gewicht und Baugröße wurden berücksichtigt, wobei beides so klein wie möglich gehalten wurde. Als Aktuatoren wurden unterschiedliche Kombinationen von Getrieben und Wellgetrieben in Kombination mit Schrittmotoren und Zahnriementrieben verwendet. Diese weisen ein sehr hohes Untersetzungs- zu Gewicht-Verhältnis auf und sind daher optimal für den Einsatz im Exoskelett geeignet. Mit Hilfe des 3D-Druckverfahrens gelang es ein schlankes Design zu verwirklichen. Diese faserverstärkten Teile weisen ähnliche Festigkeiten wie Aluminium auf, wobei man bei der Formgebung nicht an verfahrenstechnische Begrenzungen gebunden ist.

People with impaired motor skills in the hand / arm area often have problems performing simple yet extremely important movements. For example, scratching or guiding food to the mouth. These movements are also called “activities of daily living” (ADL). The problems related to the upper extremities severely restrict the patient's independence.In order to give these people more quality of life, an exoskeleton was developed as part of this diploma thesis, which should enable these movements to be carried out. The development was divided into two diploma theses, whereby this work deals with the development and construction of individual modules of an exoskeleton prototype for people with limited motor skills of the upper extremities. The development includes the design of suitable 3D printed parts and a corresponding weight compensation for degrees of freedom with a high torque requirement. The structure was designed as modularly as possible so that modules can be easily exchanged or, if required, omitted. The second work deals with the development of an electrical control, as well as individual modules.Particular attention was paid to the individual adaptation of the exoskeleton to the different body sizes, for which purpose spindle drives and clamping mechanisms were used. The exoskeleton has a total of six passive and five actively controlled degrees of freedom. Of the six passive degrees of freedom, four can be adjusted via spindle drives and two via clamping mechanisms. This makes it possible to adapt the exoskeleton to a wide variety of wheelchairs and patients. In addition, attention was paid to a large movement area to be covered during development. Weight and size were taken into account, while both were kept as small as possible. Different combinations of gears and shaft gears in combination with stepper motors and toothed belt drives were used as actuators. These have a very high reduction to weight ratio and are therefore ideal for use in the exoskeleton. With the help of the 3D printing process, a slim design was achieved. These fiber-reinforced parts have strengths similar to those of aluminum, whereby the shape is not restricted to process engineering limitations.