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Faulhaber-Kleinmotoren mit Sensorik treiben Exoskelett an

Magnetische Drehmomentsensoren integriert
Faulhaber-Kleinmotoren mit Sensorik treiben Exoskelett Autonomyo an

Bei Einschränkungen der Bewegungsfähigkeit unterstützt das innovative Exoskelett Autonomyo von Reha Assist die geschwächten Muskeln. Die zusätzliche Kraft kommt aus Faulhaber-Kleinmotoren mit magnetischen Drehmomentsensoren.

Bei Erkrankungen mit fortschreitender Muskelschwäche (Muskeldystrophie) kann das Exoskelett Autonomyo die geschwächten Muskeln unterstützen und erlaubt dabei einen Bewegungsablauf, der dem natürlichen folgt. „Wenn sich eine Muskelschwäche in den Beinen manifestiert, wird das Gehen immer schwerer, und irgendwann funktioniert es ohne Stützen gar nicht mehr“, erklärt Mohamed Bouri, Leiter der Forschungsgruppe für Rehabilitation und Assistenzrobotik (Reha Assist) an der Technischen Hochschule Lausanne in der Schweiz (EPFL). „Ähnliches gilt für die Auswirkungen einer halbseitigen Lähmung nach einem Schlaganfall.“

Sein Ziel war es daher, diese Einschränkungen so weit wie möglich zu überwinden, und zwar mit Hilfe einer motorisierten Hilfsvorrichtung, bei der die Patienten zu ihren eigenen Bewegungen beitragen können. Der von Reha Assist entwickelte Autonomyo ist mit nur 25 kg deutlich leichter als übliche Exoskelette für Querschnittsgelähmte und arbeitet unter Einbeziehung des zwar geschwächten, aber noch teilweise funktionierenden Bewegungsapparats des Patienten. Er wird mit einem Korsett am Rumpf und mit Manschetten an den Beinen des Benutzers befestigt.

Auf jeder Seite liefern drei Faulhaber-Kleinmotoren die Kraft, die den Muskeln für die Bewegung fehlt. Je ein Motor ist für die Beugung und Streckung von Hüfte und Knie zuständig. Der dritte Motor unterstützt die Ab- und Adduktion des Beins im Hüftgelenk. Dadurch helfen die Motoren dem Patienten, das Gleichgewicht zu halten.

Die Muskeln unterstützen

„Der erste Auslöser zum Losgehen drückt sich in einer kleinen Veränderung der Position der unteren Gliedmaßen aus“, so Bouri. „Wir erkennen dies, indem wir die Informationen von einer Trägheitsmesseinheit, von acht Lastsensoren an den Fußsohlen und von den Encodern der Motoren als Gelenkpositionssensoren miteinander kombinieren. Alle diese Daten tragen auch zur Unterstützung des Gleichgewichts bei.“

Ein von Faulhaber entwickelter Drehmomentsensor erfasst die für die Unterstützungsstrategie wichtige Wechselwirkung. Zur Drehmoment-Erfassung haben die Entwickler im Advanced Engineering die sonst üblichen Dehnungsmessstreifen durch ein hochauflösendes magnetisches Messsystem ersetzt. Damit lässt sich im Messbereich von +/- 30 Nm eine Abweichung von unter 1,5 % erreichen. Der Sensor liefert also einen hochpräzisen Wert des Reaktionsmoments beim Gehen.

Individuelle Anpassung

Dieser Wert hat eine zentrale Bedeutung für die Steuerung des Exoskeletts. „Die Anpassung des Geräts an den einzelnen Patienten erfordert eine sehr differenzierte Kalibrierung des Gesamtsystems“, erläutert Mohamed Bouri. „Anhand der verschiedenen Parameter und der Rückkopplung aus der Bewegung errechnet die Software die Steuersignale für die Antriebe. Art und Umfang der Unterstützung durch die Motoren werden auf Basis dieser Informationen bestimmt.“

Kernstück der sechs verbauten Antriebseinheiten ist der bürstenlose Motor 3274 BP4 mit 32 mm Durchmesser. Trotz der kompakten Abmessungen liefert er ein Nenndrehmoment von 158 mNm. Seine Kraft wird von einem Planetengetriebe 42 GPT mit einer speziell für diese Anwendung gefertigten Welle übertragen. Ein magnetischer Encoder IE3 liefert die Positionsdaten an die Steuerung. Der Drehmomentsensor ist in den Getrieben der vier Motoren für die Flexions- und Extensionsbewegungen von Knie und Hüfte integriert.

Spezialentwicklung Drehmomentsensor

Der Drehmomentsensor gehört übrigens vorerst nicht zu den Serienprodukten und wurde in kleiner Stückzahl bisher nur für diese Exoskelett-Anwendung gefertigt. Weitere Einsatzgebiete sind aber überall dort denkbar, wo sehr genaue Drehmomentwerte gemessen werden müssen, zum Beispiel in haptischen Anwendungen wie der Roboterassistenz im Operationssaal, wo der Chirurg das Instrument führt und die Maschine für Kraft und Präzision sorgt. Der Sensor kann aber auch eine Schutzfunktion übernehmen und zur Drehmomentbegrenzung verwendet werden.

„Das Projekt, einen präzisen Drehmomentsensor in einen Motor zu integrieren, begann vor einigen Jahren mit dem Ziel, Anwendungen wie Cobotics für sichere Mensch-Roboter-Interaktionen voranzutreiben“, ergänzt Frank Schwenker, Gruppenleiter für Advanced Engineering bei Faulhaber: „Mit dem Autonomyo können wir das Konzept nun zum ersten Mal in einer anspruchsvollen Unterstützungstechnologie-Anwendung umsetzen.“

Die Anforderungen an die Antriebseinheiten sind typisch für Faulhaber-Kleinmotoren: Große Leistung beim kleinstmöglichen Volumen und Gewicht, Präzision, Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer. „Die Suche nach dem passenden Lieferanten war nicht besonders schwierig“, erinnert sich Bouri. „Wir hatten die Spezifikationen definiert, und da war die Auswahl der in Frage kommenden Motoren schon sehr überschaubar.“ Zudem arbeitete die fakultätsübergreifende Astrophysik-Forschungsgruppe der Universität bereits mit Faulhaber zusammen. „Hinzu kam, dass Faulhaber bereit und in der Lage war, den Drehmomentsensor in kürzester Zeit zu entwickeln. Das war sehr wichtig für unser Projekt.“

Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG
www.faulhaber.com



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