Verbundprojekt KoBSAR-II

Kompakte assistiv-wirkende Bewegungstherapie-Trainingsgeräte auf Basis fluidischer multiaxialer Soft-Rotationsantriebe nächster Generation
Verbundkoordinator: Dr. Ing. Oleg Ivlev

Projektpartner

Das interdisziplinäre Forschungsvorhaben (Folgeprojekt für das Verbundvorhaben KoBSAR) umfasst drei Teilprojekte:
TP BeSiDyR - Bewegungssicherheit, Dynamik und Regelung (FWBI)
TP KoPaSi – Konstruktion, Patientenkomfort und Sicherheit, (Dr. Paul Koch GmbH)
TP ReMKliT – Rehabilitationsmethoden und klinische Tests in Orthopädie und Neurologie (Klinikum Stuttgart)

Förderung

Laufzeit: Oktober 2011 – Juli 2015

Gefördert durch:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Beschreibung des Teilprojektes BeSiDyR - Bewegungssicherheit, Dynamik und Regelung

Projektleiter: Dr. Ing. Oleg Ivlev
Ansprechpartner: Dipl. Ing. André Wilkening, Dipl.-Ing. David Baiden, Dipl.-Inf. Henning Stöppler

Ziel des Teilprojektes ist die Weiterentwicklung, exemplarische Realisierung und Untersuchung von Demonstratoren der assistiv-wirkenden Bewegungstherapie-Trainingsgeräte, die auf neuartige multiaxiale Soft-Antrieben mit innewohnender Nachgiebigkeit basieren. Dieses beinhaltet die Entwicklung und Untersuchung der multiaxialen Softantriebe, der assistiven Regelungskonzepte, der Kinematik und Dynamik, der sensoriellen Ausstattung sowie einer A/V-Feedbacks über die Patientenmitarbeit und neue Möglichkeiten zur Messung der Mensch-Maschine Interaktion. Weiterhin sollen Bedienkonzepte sowie neue kompakte Bediengeräte entwickelt werden. Auch die Entwicklung von Sicherheitskonzepten zur sicheren Mensch-Maschine Interaktion ist ein wichtiger Bestandteil der Forschung.

Diese endeffektorbasierten Therapiegeräte sollen eine assistive Behandlung, nach Vorbild eines Physiotherapeuten, im kompletten menschlichen Bewegungsbereich ermöglichen. Die Anwendungsbereiche liegen hierbei in der orthopädischen Rehabilitation sowie in der neurologischen Rehabilitation.

Projektergebnisse

Multiaxiale fluidische Soft-Antriebe (DE 10 2011 081 727)
Die multiaxialen fluidischen Soft-Antriebe sind auf Basis elastischer Antriebselemente aufgebaut und urheberrechtlich geschützt (DE 10 2011 081 727). Jedes Antriebselement besteht aus zwei festen Deckeln, die durch ein schräg abgeschnittenes dünnwandiges Schlauchstück (Feuerwehrschlauch) hermetisch miteinander verbunden (verklebt) sind und somit einen elastischen Hohlkörper (Balg) bilden. Bei Fluidzufuhr wird die Kraft ausgeübt. Die Deckel können verschiedene Formen haben und sowohl zu planaren als auch zu räumlichen Strukturen zusammengesetzt werden.

Aufstehtrainer LegAS Der Aufstehtrainer LegAS besteht aus zwei Exoskeletten mit ein- und multiaxialen Soft-Antrieben zur Mobilisierung der unteren Extremitäten, mit denen sowohl Schlaganfallopfer als auch ältere Menschen den Sitz-Stand-Transfer repetitiv trainieren können. Speziell für Patienten mit Hemiparese wurde eine Master-Slave Regelung entwickelt, bei der die Bewegungen des gesunden Beins auf das beeinträchtige übertragen werden. Das Gerät übernimmt einen Teil des Körpergewichts und unterstützt somit nicht nur die hilfsbedürftige Person selbst, sondern entlastet darüber hinaus auch das Pflegepersonal, das sich somit verstärkt Aufgaben wie z.B. der kognitiven Interaktion und der Motivierung widmen kann. Hier finden Sie einen Erfahrungsbericht eines Testers.

Schematische Darstellung des Aufstehtrainers LegAS	Versuchsmuster	Kliniktaugliche Version

Master-Slave Regelung des Aufstehtrainers speziell für Schlaganfallpatienten mit Hemiparese

Ellenbogentrainer ArmAS Der Ellbogentrainer ArmAS kann als erster Teil eines assistiven Therapieroboters für den gesamten Arm betrachtet werden und ist in zwei unterschiedlichen Varianten realisiert. Hierbei wurden unterschiedliche Typen von multiaxialen und achsenlosen Soft-Antrieben eingesetzt, mit dem Ziel die polyzentrische Bewegung der menschlichen Gelenkachse zu berücksichtigen. Weiterhin wurden unterschiedliche assistiv-wirkende Regelungskonzepte entwickelt, die durch on-line lernende Algorithmen das Verhalten von Patienten berücksichtigen und gleichzeitig versuchen die Unterstützungskraft ständig zu reduzieren, mit dem Ziel die Patienten zu motivieren möglichst viel eigene Kraft bei der Bewegung aufzubringen. Die entwickelten Regelungen wurden mit unterschiedlichen gesunden Probanden einschließlich Physiotherapeuten getestet und untersucht.

Konzeptuelles Design	Realisierung mit multiaxialen Soft-Antrieben und achsenlosem „Bending-Joint“ (siehe auch Projekt SE_BURG)

Assistive Regelung des Ellenbogentrainers – universell geeignet für neurologische Rehabilitation

Klinische Studie Seit Juli 2014 befindet sich der Aufstehtrainer LegAS im Klinikum Stuttgart (Neurologische Klinik, Bürgerhospital) zur Durchführung einer Studie mit akut betroffenen Schlaganfallpatienten.

Aufstehtrainer mit Transportwagen	Steuergerät auf PC104-Basis und Control Panel mit graphischer Benutzeroberflache	Video der ersten Tests

Publikationen

Baiden, D. and Ivlev, O.: „Separate Adjustment of Torque and Stiffness for Pneumatic Robot Actuators with Antagonistic Rotary Elastic Chambers“; International Journal of Mechanics and Control; 2015; ISSN: 1590-8844, Vol. 16, No. 01, 2015, pp. 39-48.
Baiden, D., Stöppler, H. and Ivlev, O.: „Interaction Control of an Assistive Sit-to-Stand Trainer with Multi-Axial Pneumatic Soft-Actuators"; Technically Assisted Rehabilitation - TAR; 2015; Berlin, Germany
Wilkening, A and Ivlev, O: "Estimation of Mass Parameters for Cooperative Human and Soft-Robots as Basis for Assistive Control of Rehabilitation Devices"; 23th IEEE International Conference on Robotics in Alpe-Adria-Danube Region - RAAD; 2014; Smolenice Castle, Slovakia
Baiden, D. and Ivlev, O.: "Independent Torque and Stiffness Adjustment of a Pneumatic Direct Rotary Soft-Actuator for Adaptable Human-Robot-Interaction"; 23th IEEE International Conference on Robotics in Alpe-Adria-Danube Region - RAAD; 2014; Smolenice Castle, Slovakia
Wilkening, A. and Ivlev, O.: "Assistive Control of Soft-Robots for Orthopedic and Neurological Rehabilitation using Adaptive Model-Based Approaches"; Technically Assisted Rehabilitation - TAR; 2013; Berlin, Germany
Baiden, D. and Ivlev, O.: "Concept of Human-Robot-Interaction Control for Ortheses with Pneumatic Soft-Actuators"; Technically Assisted Rehabilitation - TAR; 2013; Berlin, Germany
Wilkening, A. and Ivlev, O.: "Adaptive Model-Based Assistive Control for Pneumatic Direct Driven Soft Rehabilitation Robots"; 13th IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics - ICORR; 2013; Seattle, Washington USA
Baiden, D. and Ivlev, O.: "Human-Robot-Interaction Control for Orthoses with Pneumatic Soft-Actuators – Concept and Initial Trails"; 13th IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics - ICORR; 2013; 2013; Seattle, Washington USA
Taghia, J., Wilkening, A. and Ivlev, O.: "Adaptive Position Control of Fuidic Soft-Robots Working with Unknown Loads"; IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics; 2013; Wollongong, Australia
Baiden, D., Bartuszies, S. and Ivlev, O.: "Control of physical interaction tasks using pneumatic soft-robots"; 7th IEEE German Conference on Robotics - ROBOTIK; 2012; Munich, Germany
Wilkening, A., Baiden, D. and Ivlev, O.: "Assistive acting movement therapy devices with pneumatic rotary-type soft actuators"; Biomed Tech; 2012; 57(6), 445–456
Taghia J., Wilkening A. and Ivlev O.: "Position Control of Soft-Robots with Rotary-Type Pneumatic Actuators"; 7th German Conference on Robotics; 2012

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