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Exoskelett: Faulhabers Kleinstantriebe entlasten den Rücken

Motorunterstützung beim Heben schwerer Lasten
Exoskelett für die Lendenwirbelsäule: Kleinstantriebe entlasten den Rücken

Kompakt, drehmomentstark, dynamisch und präzise: Kleinstantriebe leisten in der Robotik und in der Labor- oder Medizintechnik wertvolle Dienste. Ein gute Beispiel sind innovative Exoskelette, die beim Heben schwerer Lasten die Wirbelsäule entlasten. Auch hier sind leistungsfähige DC-Kleinstantriebe von Faulhaber die treibende Kraft.

Ungünstige Belastung und dauerhafte Überlastung der Wirbelsäule sind mit Abstand die häufigsten Ursachen für Rückenschmerzen. Der Ratschlag „Lasten immer aus den Beinen heraus heben“ lässt sich aber bei vielen Arbeiten nicht immer befolgen. „Wenn sich die Fehlbelastung nicht konsequent vermeiden lässt, sollte man über entlastende Maßnahmen nachdenken“, meint Antoine Noel.

Der Robotik-Ingenieur hat 2015 zusammen mit Amelie Blondeaux und Damien Bratic in Lille das Unternehmen Japet gegründet. „Unser Ziel war es, ein aktives Stützkorsett für die Lendenwirbelsäule zu entwickeln. Ungünstige Belastungen sollen durch Motorkraft ausgeglichen werden, sodass die Bandscheiben geschützt werden.“

Das Ergebnis ist das Exoskelett Japet.W. Das Stützkorsett für die Lendenwirbelsäule besteht im Wesentlichen aus zwei Gurten, die durch vier Aktoren – je zwei pro Körperseite – miteinander verbunden sind. Der obere Gurt stützt den Rücken, der untere sitzt auf den Hüften auf. Die seriell-elastische Aktoren (SEA) „spüren“ eine auf sie einwirkende Kraft und arbeiten dann mit ihrer Motorkraft dagegen. Ihre wichtigsten Elemente sind ein Motor, eine Spindel und eine Feder.

Ein Potentiometer misst die einwirkende Kraft, zum Beispiel wenn der Träger des Exoskeletts sich nach vorne beugt und ein Gewicht anhebt. Dieses Messsignal steuert den Motor, der über ein Getriebe mit der Antriebsspindel gekoppelt ist. Die Spindel dreht sich und überträgt so die Motorkraft auf die Feder. Diese drückt dann vom unteren auf den oberen Gurt, stützt dadurch den Oberkörper und entlastet so die Lendenwirbelsäule. Das Maß der Entlastung kann der Träger des Exoskeletts in vier Stufen wählen. Die Steuerung und die Batterie des Geräts sind in den Doppelgurt integriert.

„Die Hüften werden durch den zusätzlichen Druck nur geringfügig belastet; ohnehin vertragen sie auch größere Gewichte ohne Probleme“, ergänzt Antoine Noel. „Die Krafteinwirkung auf die Lendenwirbelsäule wird hingegen stark reduziert. Vor allem die übermäßige Belastung der Bandscheiben in einer gebeugten Position wird damit deutlich verringert. Zugleich wird auch die Haltung des Oberkörpers verbessert.“

Richtige Motoren für die Serienreife

In ihre ersten Testgeräten – Japet war damals noch ein technisches Versuchslabor in einem Nebenraum einer nordfranzösischen Klinik – hatten die drei Jungunternehmer lärmende Billigmotoren eingebaut, die sich schlecht steuern ließen. Die Experten von Faulhaber fanden Gefallen an der Idee und unterstützten die innovative Entwicklungsarbeit durch intensive Beratung und Gratismuster hochwertiger Motoren. „Das war ein wichtiger Beitrag, unser Produkt serienreif zu machen“, betont Antoine Noel.

Im Exoskelett Japet.W liefern jetzt vier DC-Motoren mit Edelmetallkommutierung der Serie 1524…SR die Stützkraft zur Entlastung der Wirbelsäule. Die edelmetallkommutierten Gleichstrommotoren sind bei 15 mm Durchmesser lediglich 24 mm lang, bauen also sehr kompakt und benötigen nur wenig Einbauraum. Sie liefern ein Dauer-Drehmoment bis 2,8 mNm bei Drehzahlen bis 4.500 U/min.

Die DC-Kleinstmotoren unterscheiden sich von herkömmlichen Ausführungen hauptsächlich durch den Rotor. Dieser ist nicht auf einen Eisenkern gewickelt, sondern besteht aus einer freitragenden, in Schrägwicklung hergestellten Kupferspule. Der leichte Rotor überzeugt mit seinem geringen Trägheitsmoment und rastmomentfreien Lauf, was wiederum der Dynamik zugutekommt.

Für die Kraftübertragung sind Planetengetriebe der Serie 15A mit einer Untersetzung von 52:1 zuständig. Da das Gerät am Körper getragen wird, der zudem entlastet werden soll, kommt es auf jedes Gramm an. Auch hier können die Antriebe punkten. Mit nur jeweils 18 Gramm pro Motor machen sie nur einen Bruchteil der Gesamtmasse aus. Trotzdem sind sie stark genug, um über einen Arbeitstag den Bandscheiben insgesamt das Gewicht von drei bis vier Mittelklasseautos abzunehmen. Die Ansteuerung ließ sich zudem gut in die Steuerung des Exoskeletts integrieren.

Qualität und Zuverlässigkeit

Neben dem Verhältnis von Volumen und Kraft zählen für Japet vor allem auch Qualität und Zuverlässigkeit zu den entscheidenden Kriterien: „Das Exoskelett ist ein zertifiziertes Medizinprodukt“, erklärt Antoine Noel. „Da gelten höchste Anforderungen. Außerdem muss das Gerät seine Träger im Dauerbetrieb unterstützen, über lange Zeit und möglichst ohne jede Wartung. Das wird mit den Antrieben von Faulhaber möglich.“

Inzwischen wird das innovative Exoskelett in zahlreichen Branchen verwendet, unter anderem in der Eisenbahnindustrie, auf dem Bau und in der medizinischen Pflege. Hier überall wirkt sein Einsatz der möglichen Entstehung chronischer Rückenschmerzen entgegen. „75 Prozent der Träger, die zuvor bei der Arbeit Rückenschmerzen entwickelt hatten, berichten von einer wirksamen Schmerzreduktion“, freut sich Antoine Noel. „Das ist aus medizinischer Sicht ein beachtlicher Wert. Da wir alle tendenziell immer länger arbeiten, hat das Exoskelett auch aus ökonomischer Sicht ein großes Potenzial.“

Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG

www.faulhaber.com


Robotik meets Medizintechnik: Wer ist Japet?

Japet wurde 2015 im französischen Lille von drei Spezialisten aus unterschiedlichen Spezialgebieten gegründet: Antoine Noel (ein am MIT auf Exoskelette spezialisierter Robotikingenieur), Damien Bratic (ein auf die Wirbelsäule spezialisierter Medizintechniker) und Amelie Blondeaux (eine Produktdesignerin, deren Familie stark von Kreuzschmerzen betroffen war). Durch die Kombination ihres Fachwissens definierten sie die Grundlagen der tragbaren medizinischen Exoskelette, der Verbindung von Medizin und moderner Robotik im Dienste der Gesundheit. Damit haben sie einen einzigartigen Ansatz zur Integration dieser neuen Technologien entwickelt, der den Menschen in den Mittelpunkt stellt.

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