Welttag des Gehens – Mit Exoskeletten können sie wieder gehen!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Chen Danhui (Institut für Intelligente Maschinen, Hefei Institutes of Physical Science, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Der 29. September jeden Jahres ist der „Weltwandertag“. Allerdings können nicht alle Gruppen spontan an einer Wandertour teilnehmen. Für ältere Menschen und Patienten mit körperlichen Behinderungen ist es tatsächlich ein Luxus, wie ein normaler Mensch normal gehen zu können. Die Technologie gibt dieser Gruppe von Menschen das Recht, zu gehen.

Die Nachfragelücke ausgleichen und aus „Nein“ „Gehen“ machen

Den neuesten Bevölkerungsdaten des Nationalen Statistikamts zufolge wird die Zahl der über 60-Jährigen in meinem Land im Jahr 2022 280 Millionen erreicht haben, was 19,8 % der Landesbevölkerung entspricht. China ist eine Region mit einer hohen Schlaganfallrate und unter den Überlebenden leiden etwa 70–80 % der Patienten an unterschiedlich schweren Behinderungen der Gliedmaßen.

Ältere Menschen mit eingeschränkter Mobilität

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Darüber hinaus gibt es auch eine große Zahl von Patienten, die aufgrund von Unfällen an Gliedmaßenverletzungen leiden. Daten aus dem Statistischen Bulletin zur Entwicklung von Behindertenangelegenheiten 2021 zeigen, dass es 4,07 Millionen Menschen mit körperlichen Behinderungen gibt , die größte Zahl im Vergleich zu Menschen mit anderen Arten von Behinderungen.

Die große Zahl körperlich behinderter Menschen in meinem Land hat zu einer großen Lücke bei der Versorgung mit medizinischer Rehabilitationsausrüstung geführt.

Um älteren Menschen mit eingeschränkter Mobilität und Patienten mit körperlichen Behinderungen bessere Rehabilitationsdienste bieten zu können, versuchen die Rehabilitationsexperten und wissenschaftlichen Forscher unseres Landes, diese Gruppen mithilfe intelligenter Technologien bei ihren täglichen Fortbewegungswegen zu unterstützen. Der vom Advanced Manufacturing Center des Institute of Mechanical Intelligence des Hefei Institutes of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelte Laufroboter mit Exoskelett für die unteren Gliedmaßen ist eine der Errungenschaften im Bereich der medizinischen Rehabilitationsgeräte.

Der Gehroboter mit Exoskelett für die unteren Gliedmaßen ist ein typisches Mensch-Maschine-integriertes System, das an den unteren Gliedmaßen des Bedieners getragen wird. Es integriert Robotertechnologien wie bionische Mechanismen, Erkennung und Fusion von Sensorinformationen, Erkennung menschlicher Absichten und koordinierte Steuerung und kombiniert auf organische Weise die Intelligenz des Bedieners mit der „körperlichen Stärke“ des Roboters .

Dieses Gerät wird hauptsächlich zur Unterstützung von Schlaganfallpatienten, Patienten mit Wirbelsäulenverletzungen und älteren Menschen eingesetzt und kann ihnen dabei helfen, typische Bewegungsabläufe zu erlernen, wie etwa das Gehen auf ebenem Boden, das Auf- und Absteigen von Treppen, das Ausführen ausgeglichener Schritte auf der Stelle und das Überqueren von Hindernissen.

Mensch-Maschine-Kombination, Gehen ist nicht ermüdend

Anfang 2014 entwickelte das Advanced Manufacturing Center des Institute of Mechanical Intelligence des Hefei Institutes of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eigenständig ein Exoskelett mit Kraftunterstützung für die unteren Gliedmaßen, das kontinuierlich verbessert und perfektioniert wurde. Der Prototyp wurde für weitere Tests und Probeeinsätze ins Krankenhaus gebracht. Heute befinden sich Gehhilferoboter mit Exoskeletten für die unteren Gliedmaßen in der ersten Anwendungsphase

Prototyp zur Unterstützung älterer und behinderter Menschen

(Bildquelle: Autor)

Dieses Exoskelett ist ein aktives System . Das Steuerungssystem basiert auf einem integrierten Designkonzept und etabliert eine verteilte Steuerungssystemarchitektur für Exoskelett-Roboter auf Basis des CAN-Busses (ein serieller Kommunikationsprotokollbus für Echtzeitanwendungen, der Twisted-Pair-Kabel zur Signalübertragung verwenden kann und einer der am weitesten verbreiteten Feldbusse der Welt ist), um eine effiziente und zuverlässige Steuerung des Roboters zu erreichen. Die benötigte Leistung erzeugt das Gerät durch einen Motorantrieb. Wenn beispielsweise das Hüftgelenk nicht beweglich ist oder das Kniegelenk schwach ist, gibt der Motor nach Berechnung die entsprechende Leistung ab.

Die Antriebseinheit ist im Exoskelett-System untergebracht. Auch die mechanische Konstruktion des Exoskeletts basiert auf einem integrierten Architektur- und modularen Designkonzept. Die Gesamtarchitektur der beiden Robotertypen, die Behinderten und älteren Menschen helfen, ist dieselbe, mit der Ausnahme, dass die Konfiguration der Freiheitsgrade der Hüft- und Knöchelgelenke unterschiedlich ist .

Beim assistierenden Einsatz des Roboters sind dessen Hüft- und Fußgelenke entsprechend den Freiheitsgraden des menschlichen Körpers konfiguriert. Das Hüftgelenk verfügt neben den aktiven Freiheitsgraden über zwei passive Freiheitsgrade und auch das Sprunggelenk ist mit zwei passiven Freiheitsgraden ausgestattet. Beim Einsatz des Roboters zur Unterstützung von Behinderten haben die Hüft- und Sprunggelenke der behinderten Patienten ihre aktive Antriebsfähigkeit verloren, sodass die passiven Freiheitsgrade der Hüft- und Sprunggelenke aufgehoben sind.

Die folgende Abbildung zeigt das tragbare Diagramm der beiden Robotertypen, den gesamten virtuellen Prototyp und den virtuellen Prototyp der Hüft- und Knöchelgelenke auf intuitivere Weise.

Virtueller Prototyp eines Roboters, der älteren (oder behinderten) Menschen hilft

(Bildquelle: Das Forschungsprojektteam)

Der gesamte Roboter ist in mehrere Module unterteilt, darunter das Exoskelett für das linke und das rechte Bein, den Rückenrahmen, den Brustgurt, die Steuerung, die Stromversorgung und den Rucksack. Um ein schnelles An- und Ablegen des Exoskelettsystems zu ermöglichen, sind zwischen den Modulen Schnelldemontage- und Montageschnittstellen vorgesehen. Gleichzeitig kann es während des Transports zusammengeklappt werden, um den benötigten Platz effektiv zu reduzieren.

Da der Gehhilferoboter mit Exoskelett für die unteren Gliedmaßen seine Bewegungen mit dem menschlichen Körper koordinieren muss, bilden der Exoskelettroboter und der Träger ein Mensch-Maschine-System . Um das Ziel einer koordinierten Bewegung zu erreichen, ist es neben einer genauen Absichtserkennung auch notwendig , effektive Interaktionskanäle, Regelkreise und Steuerungsalgorithmen aufzubauen, um die koordinierte Einheit der Mensch-Maschine-Bewegung zu erreichen.

Die Architektur des Mensch-Maschine-koordinierten Steuerungssystems ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Der interne Aktionsmechanismus der Mensch-Maschine kann durch zwei interaktive Kanäle erklärt werden: Absichtserkennung und Roboterbewegungsausgabe . Über diese beiden interaktiven Kanäle kann der Roboter die Bewegungsabsichten des menschlichen Körpers präzise und in Echtzeit erfassen und entsprechend der vorgesehenen Steuerung auf den menschlichen Körper einwirken, wodurch eine koordinierte und einheitliche Mensch-Computer-Interaktion erreicht wird.

Diagramm der Architektur eines Mensch-Maschine-koordinierten Steuerungssystems

(Bildquelle: Autor)

Abschluss

Mit der kontinuierlichen Verbesserung der wissenschaftlichen und technologischen Stärke meines Landes wurden bei Schlüsselkomponenten wie Motoren, Oberwellenreduzierern, Servoantrieben und Drehmomentsensoren wichtige Durchbrüche erzielt, die eine starke Grundgarantie für die unabhängige Forschung und Entwicklung von Gehhilferobotern für die unteren Gliedmaßen bieten. Ich bin davon überzeugt, dass es dank der engagierten Forschung der Wissenschaftler, ihres kollektiven Wissens und ihrer gemeinsamen Zusammenarbeit in naher Zukunft auch Menschen mit körperlichen Behinderungen oder Mobilitätsproblemen möglich sein wird, „zügig zu gehen“!