Hybrider parallel-elastischer Aktor für die Rehabilitation der unteren Extremität

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Leonhardt
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392037132

Lähmung ist ein funktioneller Verlust einzelner oder mehrerer Muskeln der Skelettmuskulatur. Entsprechend der Ursache der Lähmung sind verschiedene Therapieansätze möglich. Einerseits kann mit einer automatisierten Bewegungs-Therapie ein rehabilitatives Training realisiert werden, andererseits kann die Kompensation fehlender motorischer Funktion durch Aktoren ersetzt werden. In diesem Forschungsprojekt sollen eine neue Klasse von Aktoren und die Regelung von Exoskeletten und aktiven Orthesen grundsätzlich erforscht werden, die sich besonders für Patienten mit Restfunktion (Schlaganfallüberlebende) eignen. Die Eignung für querschnittsgelähmte Patienten wird in einer späteren Phase des Projektes untersucht.Als Kernkomponente konzentriert sich das Projekt auf die Konstruktion neuartiger variabel-parallel-elastischer Aktoren (VPEA) für die Bewegungsunterstützung der unteren Extremität. Um den Energiefluss in die parallele Feder vollständig steuern zu können, ist der Aktor mit einer Bremse und einer Kupplung ausgestattet. Dieser Ansatz soll die notwendige Leistungsaufnahme minimieren und den Patienten mit motorischer Restfunktion intensiver in die Bewegung während der Therapie einbeziehen. Parallel zur Entwicklung des Aktors soll ein nichtlineares dynamisches Modell erforscht werden, das neben dem hybriden elektromechanischen Modell auch physiologische und dynamische Submodelle des Gesamtsystems enthält.Die erhöhte Komplexität des Antriebs verlangt einen entsprechend komplexen Regelerentwurf. Neben kaskadierten Kraft- und Impedanzreglern (assist as needed Prinzip) muss der Energiefluss in das parallele elastische Element geregelt werden. Darüber hinaus muss die Reglersynthese in Bezug auf ein überaktuiertes System mit mehreren betätigten Gelenken erfolgen. Außerdem muss die Regelung die Interaktionsstabilität in Bezug auf mögliche Restfunktionen des Trägers gewährleisten. Um diese Ziele erreichen zu können, wird eine kaskadierte Reglerstruktur mit möglichen Kombinationen von robuster Regelung für geschaltete Systeme, iterative lernende Regelung oder modellprädiktive Regelung untersucht.Ziel ist es, ein bewährtes Rehabilitationssystem zu schaffen, das für beide Patientengruppen geeignet ist. Nach der Integration des Aktors in ein bestehendes Exoskelett und Bewegungsversuchen wird auch ein kommerzielles FES-System in Kombination mit VPEA untersucht. Zu diesem Zweck soll ein synergistischer physiologischer Regler entwickelt werden, der Muskeln und VPEA zusammen für die Bewegung antreibt. Das Gesamtziel dieses Arbeitspakets ist die Erweiterung des Exoskeletts auf die Gruppe der Querschnittsgelähmten.Die Aktoren, einschließlich der zugrundeliegenden Regelung für die einzelnen Gelenke, werden sukzessive in Betrieb genommen und geprüft. Schließlich wird das gesamte exoskeletale Unterstützungssystem in einer Laufbandstudie in einem Bewegungslabor der Tsinghua Universität mit gelähmten Patienten aus einem kooperierenden chinesischen Krankenhaus validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Linhong Ji