Entwicklung eines 3D-Druck-fähigen passiven Exoskeletts für die obere Extremität

Abstract

Eine körperliche Beeinträchtigung in der oberen Extremität kann durch mehrere Faktoren verursacht werden. Zu den häufigsten Ursachen zählt der Schlaganfall. Die für eine Wiederherstellung der partiellen oder vollständigen Körperleistung erforderliche Rehabilitation sollte man sowohl in einer Klinik als auch zu Hause durchführen können, wobei die Rehabilitationsgeräte vor allem bei einer Durchführung zu Hause möglichst klein, leicht und mobil sein sollten. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde basierend auf dem Re-Trainer Exoskelett ein passives Exoskelett für die obere Extremität entworfen. Durch die Anwendung der generativen Fertigung wurden die vorhandenen Baugruppen zusammengefasst, um eine schlankere Baugröße zu erreichen. Für diesen Zweck wurde ein Markforged® Filamentdrucker eingesetzt. Dadurch konnte die Anzahl der konventionell gefertigten Teile verringert werden. Das Exoskelett besteht aus mehreren durch Karbonstangen verbundenen Modulen, die die Anpassung an den Patienten erleichtern sollen. Im Ellbogen- und Schulter-Modul wurden Gewichtskompensationseinheiten eingesetzt, um das Eigengewicht des Armes zu reduzieren und somit eine Bewegung durch die eigene und nur minimal vorhandene Muskelkraft zu ermöglichen, die sonst nicht mehr möglich wären. In den beiden oben genannten Modulen wurden Bremsen integriert. Durch die Vorgaben des passiven Exoskelettes sind keine Motoren vorhanden. Die Durchführung der Übungen erfordert eine Restkraft, die sich trotz der Unterstützung des Exoskeletts für die Bewegung als ausreichend erweist. Das Exoskelett kann in zwei Modi arbeiten, nämlich mit einer oder zwei seriell geschalteten Federn für die Gewichtskompensation. Die theoretischen Drehmomentverläufe wurden berechnet und erweisen sich in der vorgesehenen Gruppe vom fünften Perzentil weiblich bis zum 95sten Perzentil männlich als genügend. Die Verwendung bei Kindern wurde nicht geplant. Die Beurteilung der Wirksamkeit dieser Ausführung des Exoskeletts erfordert Versuche mit Probenden, die im Rahmen dieser Diplomarbeit nicht vorgesehen wurden. Die Funktionsweise des Geräts wurde überprüft und einige Verbesserungsvorschläge für eine Weiterentwicklung wurden angeführt.

Numerous reasons can lead to physical disability in upper extremity. One of the most frequent ones is a stroke. The application of rehabilitation is necessary to recover partial or full body functionality. The usage of rehabilitation equipment not only at the rehabilitation centre but also at patient’s home requires the devices to be small, light and mobile.Within the scope of this master thesis and basing on Re-Trainer exoskeleton, a passive exoskeleton for upper extremity was designed. Through application of 3D printing the construction should become slenderer. A 3D printer used for this purpose was a filament printer from the company Markforged®. The application of conventionally machined parts was minimized.The exoskeleton consists of a few modules that are connected with carbon rods, what enables the adjustment to patient’s body. In elbow and shoulder modules gravity compensation units were applied. They reduce the own weight of patient’s arm and therefore allow to practice movements that would not be possible without this support. In both above mentioned modules breaks are included, however, because of the passive model no engines were implemented. To exercise with the exoskeleton even with the partial gravity compensation, some residual force in patient’s muscles must be provided.The gravity compensation module can work in one of the two modes: with one or two springs connected in series respectively. The theoretical torque distribution was calculated and in area between 5th percentile female and 95th percentile male is considered to be sufficient. The application on children was not taken into account.The assessment of this exoskeleton requires tests with probants, that were not includes in scope of this thesis. However, the operating mode was verified and some improvements were postulated.