Hessinger, Markus (2021)
Mensch-Exoskelett-Kollaboration auf Basis Strukturintegrierter Sensoren.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00019040
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Akzeptanz von technischen Unterstützungssystemen für den Menschen ist von deren Fähigkeit der Anpassung an die spezifischen Bedürfnisse des Nutzers abhängig. Für die Bewegungsunterstützung der oberen Extremität des Menschen durch ein aktives Exoskelett, stellt die kollaborative Ausführung dieser Bewegung eine grundlegende Forschungsfragestellung dar. In dieser Arbeit werden Verfahren der Mensch-Exoskelett-Kollaboration untersucht, um eine sichere und komfortable Unterstützung bei freien Bewegungen des Arms für die gezielte Positionierung eines Werkzeuges zur Interaktion mit Objekten zu ermöglichen. Dabei wird eine individuelle Strukturintegration von Sensorik zur Erkennung von Bewegungsintention des Nutzers angewandt. Durch die strukturintegrierte Messung des Drehmomentes der sieben Gelenkachsen des Manipulators, wird die Summe der dynamischen Einflüsse auf den Bewegungsablauf bestimmt. Auf Basis von kinematischen und dynamsichen Modellen des seriellen Manipulators wird daraus die Interaktion des Nutzers mit dem Exoskelett mit einer Messunsicherheit < 7 % abgeleitet. Bei der Interaktion des Manipulators mit der Umgebung kann die haptische Wahrnehmung des Menschen durch ein strukturintegrierten Kraftsensor substituiert werden. Der hohe Individualisierungsgrad der Sensorgeometrie motiviert neuartige Herstellungsverfahren. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Grundlagen zur additive Fertigung von metallischen Kraftsensoren untersucht. Es wird ein systematischer Entwurf eines kollaborativen Exoskeletts unter Berücksichtigung von anwendungsbezogenen Anforderungen durchgeführt. Der Prototyp besteht aus sieben aktuierten Freiheitsgraden zur Unterstützung der Schulter, des Ellenbogens und des Handgelenks. Für den mobilen Einsatz wird der Entwurf hin zu einer Variante mit hoher Integrationstiefe durch dezentralen Sensor-Aktor Knoten weiterentwickelt. Diese stellt ein Drehmoment von 30 Nm und eine Drehgeschwindigkeit von 3,14 rad/s bei einem Gesamtgewicht von 8,5 kg inklusive Akku bereit. Das vorgestellte Leichtbau-Exoskelett weist durch das modular erweiterbare Sensorsystem für physische und kognitive Messgrößen ein hohes Innovationspotential zur Untersuchung von physiologischen Aspekten bei der Kollaboration mit dem Menschen auf. Die Umgebungsinteraktion des geführten Werkzeuges wird mit einer kraftgeregelten Bohrung in ein Knochenphantom umgesetzt. Ein stabiles Systemverhalten bei maximal 30 % Überschwingen durch Kompensation nicht modellierbarer Nachgiebigkeiten wird mittels einer hybriden Kraft-Positionsregelung des Endeffektors erreicht. Für die Trajektorienplanung werden Ansätze für eine natürliche Armbewegung vorgestellt. Bei der Transformation in den Gelenkraum des redundanten Manipulators werden neben Methoden zur Verhinderung singulärer Stellungen, auch die Nutzerintention bei der Formulierung des Optimierungsproblems berücksichtigt. Die Trajektorienplanung des Endeffektors wird in Echtzeit durchgeführt, um dynamische Änderungen der Zielpose durch den Manipulator kompensieren zu können. Die Zielpose der Trajektorie wird im Vorfeld am virtuellen Objekt des Phantoms definiert. Durch ein neues Line-Matching Registrierungsverfahren wird diese auf das reale Objekt übertragen. Dabei reduziert sich die benötigte Dauer um 30 % und der Fehler um 12,5 % im Vergleich zu klassischen Verfahren. Die relative Position zwischen Werkzeug und Knochenphantom wird durch strukturintegrierte Marker mit einer Trackingkamera aufgenommen. Der relative Gelenkwinkel der oberen Extremität wird hingegen mit einem inertialen Sensorsystem bestimmt. Durch Sensordatenfusion wird die absolute Lage im Raum der an den Armsegmenten befestigten Sensoren ermittelt und die einzelnen Sensorknoten mit einem dynamischen Bewegungsablauf zueinander ausgerichtet. Die mit einer maximalen Abweichung von 3 % berechneten Gelenkwinkel dienen als Eingangsgröße für eine modellbasierte Impedanzregelung. Dabei wird von Außen eine Bewegung vorgegeben und durch Adaption der Gelenkwinkelsteifigkeit eine komfortable Führung des Armes gesichert. Die kognitive Bewegungsintention des Menschen wird durch die Bestimmung der elektrischen Aktivität bei der Muskelkontraktion hergeleitet. Eine Fuzzy-Logik reduziert den Störeinfluss von Rauschen auf die elektrischen Signale der antagonistischen Muskelpaare und ordnet der Muskelaktivität eine entsprechende Winkelgeschwindigkeit der Gelenke zu. Mit den Ergebnissen der Bewegungsvorgaben durch das kollaborative Exoskelett wird der hohe Bedarf an innovativen Ansätzen der individuellen Bewegungstherapie und -unterstützung für den Menschen adressiert und so ein Beitrag zum demografischen Wandel geleistet.

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