FWBI

Verbundprojekt KoBSAR-II

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

Projektpartner

Dr. Paul Koch Klinikum Stuttgart Verbundvorhaben KoBSAR IB

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

Bundesministerium für Bildung und Forschung

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 BaidenDipl.-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.

 

Patent Multiaxiale fluidische Soft-Antriebe

 
 

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 LegAS Kliniktaugliche Version LegAS

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“ Realisierung mit multiaxialen Soft-Antrieben und achsenlosem „Bending-Joint“

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

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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