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Entwicklung eines Exoskeletts mit drei Freiheitsgraden zur aktiven Unterstützung des menschlichen Schultergelenkes

Müller, Andreas (2013):
Entwicklung eines Exoskeletts mit drei Freiheitsgraden zur aktiven Unterstützung des menschlichen Schultergelenkes.
TU Darmstadt, Institut EMK FG MuST, [Bachelor Thesis]

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf eines Schulter Exoskeletts. Dazu wird zunächst die menschliche Biomechanik der oberen Extremität betrachtet und ein geeignetes Modell erstellt. Das Modell besitzt insgesamt fünf Freiheitsgrade. Zwei bilden das Sternoclavicular-Gelenk (SC-Gelenk) und drei das Glenohumeral-Gelenk (GH-Gelenk) nach. Für die Längen der Gliedmaßen werden die Abmessungen des 5. Perzentils der Frauen und des 95. Perzentils der Männer verwendet. Um die Bewegungen des Nutzers, dem dieses Modell zugrunde liegt, zu ermöglichen wird eine geeignete Kinematik ausgewählt. Dazu wird die Serienkinematik als geeignetste Kinematik aus Serien-, Parallel- und Hybridkinematik ausgewählt. Der Kinematikgrundtyp wird hinsichtlich der Achsenkonstellation und des Gelenktyps betrachtet. Hierbei ist eine Kinematik mit kongruenten Drehzentren bezüglich des menschlichen SC- und GH-Gelenk und rein rotatorischen Gelenken die geeignetste. Für das Schultergelenk wird die zyz-Reihenfolge ausgewählt. Das erste Gelenk steht in z-Richtung, vertikal über der Schulter, das Zweite zeigt von hinten durch die Schulter nach vorn auf das GH-Gelenk. Das Dritte Gelenk ist um 30° aus der Armlängsachse heraus gedreht. Das erste Schultergürtelgelenk zeigt von hinten auf das SC-Gelenk. Das Zweite ist um 45° zum Ersten gedreht und zeigt ebenfalls auf das SC-Gelenk. So bilden Schulter- und Schultergürtelgelenk die Drehzentren der beiden menschlichen Gelenke kongruent nach. Zur Gewichtskraftkompensation werden die schon für die Bewegung vorgegebene Twisted-String-Aktoren verwendet. Für die Aktorik wird eine Maximalanforderung von 100 Aktoren mit 100 mm Verkürzung bei einer Zugkraft von 70 N abgeschätzt. Die Aktorik wird dezentral an der Rückenbefestigung angebracht. Die Kraftleitung erfolgt über Bowdenzüge. Für die Sensorik wird ein MR-Sensormodul von Sensitec ausgewählt. Aus den bestimmten Hebellängen für die Aktorik und den Erkenntnissen der Kinematikauswahl wird ein CAD-Modell erstellt. Die Längen eines Teils der Verbindungssegmente sind an die Abmessungen der Nutzer anpassbar.

Item Type: Bachelor Thesis
Erschienen: 2013
Creators: Müller, Andreas
Title: Entwicklung eines Exoskeletts mit drei Freiheitsgraden zur aktiven Unterstützung des menschlichen Schultergelenkes
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf eines Schulter Exoskeletts. Dazu wird zunächst die menschliche Biomechanik der oberen Extremität betrachtet und ein geeignetes Modell erstellt. Das Modell besitzt insgesamt fünf Freiheitsgrade. Zwei bilden das Sternoclavicular-Gelenk (SC-Gelenk) und drei das Glenohumeral-Gelenk (GH-Gelenk) nach. Für die Längen der Gliedmaßen werden die Abmessungen des 5. Perzentils der Frauen und des 95. Perzentils der Männer verwendet. Um die Bewegungen des Nutzers, dem dieses Modell zugrunde liegt, zu ermöglichen wird eine geeignete Kinematik ausgewählt. Dazu wird die Serienkinematik als geeignetste Kinematik aus Serien-, Parallel- und Hybridkinematik ausgewählt. Der Kinematikgrundtyp wird hinsichtlich der Achsenkonstellation und des Gelenktyps betrachtet. Hierbei ist eine Kinematik mit kongruenten Drehzentren bezüglich des menschlichen SC- und GH-Gelenk und rein rotatorischen Gelenken die geeignetste. Für das Schultergelenk wird die zyz-Reihenfolge ausgewählt. Das erste Gelenk steht in z-Richtung, vertikal über der Schulter, das Zweite zeigt von hinten durch die Schulter nach vorn auf das GH-Gelenk. Das Dritte Gelenk ist um 30° aus der Armlängsachse heraus gedreht. Das erste Schultergürtelgelenk zeigt von hinten auf das SC-Gelenk. Das Zweite ist um 45° zum Ersten gedreht und zeigt ebenfalls auf das SC-Gelenk. So bilden Schulter- und Schultergürtelgelenk die Drehzentren der beiden menschlichen Gelenke kongruent nach. Zur Gewichtskraftkompensation werden die schon für die Bewegung vorgegebene Twisted-String-Aktoren verwendet. Für die Aktorik wird eine Maximalanforderung von 100 Aktoren mit 100 mm Verkürzung bei einer Zugkraft von 70 N abgeschätzt. Die Aktorik wird dezentral an der Rückenbefestigung angebracht. Die Kraftleitung erfolgt über Bowdenzüge. Für die Sensorik wird ein MR-Sensormodul von Sensitec ausgewählt. Aus den bestimmten Hebellängen für die Aktorik und den Erkenntnissen der Kinematikauswahl wird ein CAD-Modell erstellt. Die Längen eines Teils der Verbindungssegmente sind an die Abmessungen der Nutzer anpassbar.

Uncontrolled Keywords: Kinematik Berechnung analytisch String-Aktor Exoskelett Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 06 Dec 2013 08:36
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv Institut EMK. Anfrage über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKB 1825

Art der Arbeit: Bachelorarbeit

Beginn Datum: 15-05-2013

Ende Datum: 15-10-2013

Identification Number: 17/24 EMKB 1825
Referees: Werthschützky, Prof. Roland
Export:
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