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Entwicklung eines weichen Exoskelettes zur Unterstützung des Greifvorganges

Schmitt, Paul (2018):
Entwicklung eines weichen Exoskelettes zur Unterstützung des Greifvorganges.
Institut EMK / FG M+EMS, [Master Thesis]

Abstract

Exoskelette finden heutzutage Einsatz bei der Wiederherstellung oder als Ersatz von durch Unfall, Krankheit oder Alter verloren gegangenen motorischen Fähigkeiten. Insbesondere der Fall des Verlusts der Fähigkeit zu Greifen stellt die Betroffenen vor große Herausforderung bei der eigenständigen Bewältigung ihres Alltags. Die vorliegende Masterarbeit beschreibt Entwicklung und Aufbau eines funktionsfähigen weichen Exoskelettes zur Unterstützung des Greifvorganges. Dabei werden verschiedene Methoden zur Steuerung des Exoskelettes untersucht und implementiert. Der fertige Aufbau ermöglicht dem Träger das Ausführen von einem Kraftgriff, bei dem alle fünf Finger genutzt werden um größere Objekte zu Greifen, sowie dem Präzisionsgriff, welcher sich für filigranere Gegenstände eignet. Die Bewegungen werden durch an den Fingern und über die Hand geführte Seilzüge erzeugt. Eine am Unterarm befestigte Aktoreinheit, bestehend aus drei Servoantrieben, verkürzt die Seilzüge um 32 mm und erzwingt somit ein Beugen der Hand. Eine Besonderheit des entwickelten Systems zur Kraftübertragung ist der Aufbau eines seriell elastischen Antriebs. Dieser wird genutzt um mit nur einem Servoantrieb mehrere Finger zu aktuieren. Die dadurch entstehende Unteraktuierung bringt den Vorteil mit sich, auch bei unebenen Oberflächen, einen Formschluss zwischen Hand und zu greifendem Objekt zu gewährleisten. Die Aktoren arbeiten undirektional, die Rückstellung der Finger erfolgt durch auf dem Fingerrücken angebrachten elastischen Elementen. Durch dieses Prinzip kann das Exoskelett im Ruhezustand wie ein normaler Handschuh, ohne signifikante Einschränkung des natürlichen Bewegungsraums, getragen werden. Die Komponenten des Exoskelettes sind hauptsächlich im FDM-Verfahren hergestellt worden, wodurch ein Gesamtgewicht inklusive Aktorik von 270 g erreicht wird. Es werden mit dem Kraftgriff Kräfte von bis zu 25,5 N und mit dem Präzisionsgriff bis zu 18 N erreicht. Der Handschuh ermöglicht Greifbewegungen mit einer Dynamik größer 1 Hz. Zur Kontrolle des Bewegungsablaufes sind fünf Flexsensoren (Fa. spectrasymbol) und vier Kraftsensoren (Fa. Interlink Electronics) an der Fingeroberseite bzw. den Fingerspitzen verbaut. Somit lassen sich die Fingerwinkel, sowie unterschiedliche Kontaktsituationen detektieren. Auswertung und Ansteuerung erfolgt über einen Arduino Micro, welcher durch eine Elektronik zur Aufbereitung der Sensorsignale und Spannungsversorgung erweitert wurde. Je nach Anwendung oder körperlicher Verfassung des Patienten sind vier verschiedene Arten der Ansteuerung implementiert. Für den Einsatz in der Rehabilitation ist zum Einen die Eingabe der gewünschten Bewegung über einen Computer möglich zum Anderen wurde ein weiterer Handschuh aufgebaut um das Spiegeln der Bewegung einer gesunden Hand auf die Eingeschränkte zu übertragen. Bei einem Einsatz im Alltag, können Menschen durch eine Kombination geringer Bewegungen ihrer betroffenen Hand die unterschiedlichen Griffe ausführen und auch wieder lösen. Sollte keinerlei eigenständige Bewegung der Hand mehr möglich sein, können, durch Oberflächen-Elektromyographie, gesunde Muskeln des Körpers genutzt werden um die notwendigen Signale zum Starten der Greifbewegung zu erzeugen. Mit dieser Arbeit wurde ein funktionsfähiger Prototyp eines weichen Exoskelettes zur Unterstützung des Greifvorganges entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Dies ermöglicht zukünftig den Einsatz als Greifassistent, als Werkzeug in der Rehabilitation, sowie die Untersuchung unterschiedlicher Aktorprinzipien und Ansteuerungsmethoden.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2018
Creators: Schmitt, Paul
Title: Entwicklung eines weichen Exoskelettes zur Unterstützung des Greifvorganges
Language: German
Abstract:

Exoskelette finden heutzutage Einsatz bei der Wiederherstellung oder als Ersatz von durch Unfall, Krankheit oder Alter verloren gegangenen motorischen Fähigkeiten. Insbesondere der Fall des Verlusts der Fähigkeit zu Greifen stellt die Betroffenen vor große Herausforderung bei der eigenständigen Bewältigung ihres Alltags. Die vorliegende Masterarbeit beschreibt Entwicklung und Aufbau eines funktionsfähigen weichen Exoskelettes zur Unterstützung des Greifvorganges. Dabei werden verschiedene Methoden zur Steuerung des Exoskelettes untersucht und implementiert. Der fertige Aufbau ermöglicht dem Träger das Ausführen von einem Kraftgriff, bei dem alle fünf Finger genutzt werden um größere Objekte zu Greifen, sowie dem Präzisionsgriff, welcher sich für filigranere Gegenstände eignet. Die Bewegungen werden durch an den Fingern und über die Hand geführte Seilzüge erzeugt. Eine am Unterarm befestigte Aktoreinheit, bestehend aus drei Servoantrieben, verkürzt die Seilzüge um 32 mm und erzwingt somit ein Beugen der Hand. Eine Besonderheit des entwickelten Systems zur Kraftübertragung ist der Aufbau eines seriell elastischen Antriebs. Dieser wird genutzt um mit nur einem Servoantrieb mehrere Finger zu aktuieren. Die dadurch entstehende Unteraktuierung bringt den Vorteil mit sich, auch bei unebenen Oberflächen, einen Formschluss zwischen Hand und zu greifendem Objekt zu gewährleisten. Die Aktoren arbeiten undirektional, die Rückstellung der Finger erfolgt durch auf dem Fingerrücken angebrachten elastischen Elementen. Durch dieses Prinzip kann das Exoskelett im Ruhezustand wie ein normaler Handschuh, ohne signifikante Einschränkung des natürlichen Bewegungsraums, getragen werden. Die Komponenten des Exoskelettes sind hauptsächlich im FDM-Verfahren hergestellt worden, wodurch ein Gesamtgewicht inklusive Aktorik von 270 g erreicht wird. Es werden mit dem Kraftgriff Kräfte von bis zu 25,5 N und mit dem Präzisionsgriff bis zu 18 N erreicht. Der Handschuh ermöglicht Greifbewegungen mit einer Dynamik größer 1 Hz. Zur Kontrolle des Bewegungsablaufes sind fünf Flexsensoren (Fa. spectrasymbol) und vier Kraftsensoren (Fa. Interlink Electronics) an der Fingeroberseite bzw. den Fingerspitzen verbaut. Somit lassen sich die Fingerwinkel, sowie unterschiedliche Kontaktsituationen detektieren. Auswertung und Ansteuerung erfolgt über einen Arduino Micro, welcher durch eine Elektronik zur Aufbereitung der Sensorsignale und Spannungsversorgung erweitert wurde. Je nach Anwendung oder körperlicher Verfassung des Patienten sind vier verschiedene Arten der Ansteuerung implementiert. Für den Einsatz in der Rehabilitation ist zum Einen die Eingabe der gewünschten Bewegung über einen Computer möglich zum Anderen wurde ein weiterer Handschuh aufgebaut um das Spiegeln der Bewegung einer gesunden Hand auf die Eingeschränkte zu übertragen. Bei einem Einsatz im Alltag, können Menschen durch eine Kombination geringer Bewegungen ihrer betroffenen Hand die unterschiedlichen Griffe ausführen und auch wieder lösen. Sollte keinerlei eigenständige Bewegung der Hand mehr möglich sein, können, durch Oberflächen-Elektromyographie, gesunde Muskeln des Körpers genutzt werden um die notwendigen Signale zum Starten der Greifbewegung zu erzeugen. Mit dieser Arbeit wurde ein funktionsfähiger Prototyp eines weichen Exoskelettes zur Unterstützung des Greifvorganges entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Dies ermöglicht zukünftig den Einsatz als Greifassistent, als Werkzeug in der Rehabilitation, sowie die Untersuchung unterschiedlicher Aktorprinzipien und Ansteuerungsmethoden.

Uncontrolled Keywords: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Exoskelett Medizinrobotik Greifunterstützung
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 > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 03 Apr 2018 11:24
Referees: Schlaak, Prof. Helmut F.
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