Entwicklung und Aufbau eines motorisierten Arm-Exoskeletts-Prototyps - Steuerung

Abstract

Menschen mit neurologischen Störungen wie Schlaganfall, Querschnittslähmung, Parkinson, Amyotrophe Lateralsclerose oder Multiple Sklerose leiden häufig unter eingeschränkter Bewegungsfähigkeit der Arme, wodurch es ihnen nicht möglich ist alltägliche Bewegungen (ADL) auszuführen. Dazu zählen etwa Hand zu Mund-Bewegungen, Tätigkeiten der Körperpflege, des Ankleidens oder der Nahrungszubereitung. Dieser einschneidende Bewegungsverlust führt zu verringerter Eigenständigkeit, häufig einem schwindenden Selbstwertgefühl und Depressionen.Um die Therapie neurologischer Störungen in Zukunft zu verbessern wird im Zuge dieser Diplomarbeit ein elektrisch motorisiertes Exoskelett entwickelt, konstruiert und ein Prototyp gefertigt. Besonders wird dabei auf die Auswahl von Motoren- und Getriebeeinheiten Wert gelegt, sowie auf die Entwicklung der elektronischen Steuerung. Eine zweite Diplomarbeit befasst sich mit der Konstruktion und gewichtsoptimierten Anfertigung von 3D-Druckteilen und der Auslegung einer Gewichtskompensation.Eine besondere Herausforderung ist die unabhängige Ansteuerung von fünf Freiheitsgraden welche dem menschlichen Schulter- und Ellbogengelenk nachempfunden sind. Zum Einsatz kommen Elektromotoren, welche über eine Positioniergenauigkeit von +/- 1° verfügen und mittels einer benutzerfreundlichen Open-Source-Software angesteuert werden. Die Gelenkwinkelstellungen werden über Absolutwertgeber gemessen. Da der absolute Messwert unmittelbar nach dem Einschalten zur Verfügung steht, entfällt eine anfängliche Referenzfahrt. Zur Bereitstellung der benötigten Drehmomente werden die Elektromotoren je nach Freiheitsgrad entweder mit Planetengetrieben, speziellen Wellgetrieben oder Riementrieben gekoppelt und untersetzt. Das Exoskelett ermöglicht es dem Patienten, alltägliche Bewegungen auszuführen und diese zu trainieren.Der modulare Aufbau des Exoskeletts erfolgt durch die nacheinander Anordnung verschiedener Module welche auf Rohren verschoben werden können. Dies erlaubt es dem Therapeuten, das Exoskelett perfekt an den Patienten anzupassen und, je nach medizinischen Erfordernissen, einzelne Module weg zu lassen.

People with neurological disorders such as stroke, paraplegia, Parkinson's, amyotrophic lateral sclerosis or multiple sclerosis often suffer from restricted mobility of the arms, which means that they are unable to perform everyday movements (ADL). These include hand movements in the mouth, body care, dressing and food preparation. This drastic loss of movement leads to reduced independence, often a waning self-esteem and depression.In order to improve the therapy of neurological disorders in the future, an electrically motorized exoskeleton will be developed, constructed and a prototype manufactured in the course of two diploma theses. In this work, particular emphasis is placed on the selection of motor and gear units, as well as on the development of the electronic control. The second work deals with the weight-optimized production of 3D printed parts and the design of a weight compensation.A particular challenge is the independent control of five degrees of freedom, which are modeled on the human shoulder and elbow joint. Electric motors are used, which have a positioning accuracy of +/- 1 ° and are controlled by user-friendly open source software. The joint angle positions are measured using absolute encoders. Since the absolute measured value is available immediately after switching on, there is no need for an initial reference run. Depending on the degree of freedom, the electric motors are either coupled and reduced with planetary gears, special shaft gears or belt drives to provide the required torques. The exoskeleton enables the patient to perform everyday movements and to train them.The modular structure of the exoskeleton is achieved by the sequential arrangement of different modules that can be moved on pipes. This allows the therapist to adapt the exoskeleton perfectly to the patient and, depending on medical requirements, to omit individual modules.