Roboter-Exoskelette finden das richtige Gleichgewicht
Gleichgewicht halten und Stürze vermeiden kann für ältere Menschen, Patienten mit Rückenmarksverletzungen oder Arbeitskräfte, die schwierige, anstrengende Aufgaben erfüllen, zur einer wahren Herausforderung werden. Beispiele sind häufig in der Bauindustrie, beim Heben von schweren Lasten, bei der Bergrettung oder einfach dann anzutreffen, wenn sich jemand bewegen will, der körperlich beeinträchtigt ist. Heute verfügbare Exoskelette und deren Mängel Das von der EU finanzierte Projekt BALANCE (Balance Augmentation in Locomotion, through Anticipative, Natural and Cooperative control of Exoskeletons) erforschte und konzipierte Exoskelette, die das Stehen und Gehen unterstützen und dabei Stürze vermeiden. „Zukünftige Anwendungen sind im Rehabilitationstraining und bei der verbesserten Unterstützung älterer Menschen vorgesehen, und natürlich sollten Stürze in all diesen Fällen vermieden und das Gleichgewicht gehalten werden“, erklärt Projektkoordinator Dr. Jan Veneman. Momentan setzte man die supermodernen Exoskelette dazu ein, gelähmten Patientinnen und Patienten mit Rückenmarksverletzungen kurzzeitig Beweglichkeit zu verleihen. Exoskelettprodukte verleihen Gewichtsentlastung über das Standbein und eine Schwingbewegung, um das Schwungbein zu unterstützen. Sie sind jedoch kein Mittel, um die Körperhaltung insgesamt abzusichern bzw. das Gleichgewicht zu halten. In diesen Fällen hilft die Verwendung von Krücken, Handstützen in Verbindung mit einem Überkopfgurtzeug oder die Hilfe durch einen Mitmenschen, um das Stürzen zu verhindern. BALANCE-Systeme und neuartige Roboter Hauptschwerpunkt der BALANCE-Forschung war die Messung der Kontrolle des Gleichgewichts durch den Menschen sowie deren Anwendung in Robotersystemen. Man integrierte den Verlust des Gleichgewichts, wie er in Echtzeit während der Bewegung gemessen wurde, in Algorithmen. Mit neuartigen robotischen Geräten, welche die Menschen in eine bestimmte Richtung schubsten, vermaß man die Komponenten der Gleichgewichtskontrolle und wie diese erreicht wurde. Die Forscher modellierten außerdem das menschliche Gleichgewicht und auf welche Weise Menschen auf Bewegungsunterstützung reagieren. Es wurden völlig neue Ansätze entwickelt, denen zufolge das Exoskelett dem Nutzer keinen Widerstand entgegensetzt (transparente Steuerung) und eine Kopfdrehung die Drehung des Exoskeletts einleitet. Zunächst beschäftigten sich die Forscher mit einem Exoskelett, bei dem das Beiseitetreten in Reaktion auf Anschubsen beim Stehen und Gehen mit Erfolg unterstützt wird. Hauptnachteil der gängigen tragbaren Bewegungserfassungssysteme (Motion-Capturing) ist, dass die Metallteile und elektrischen Komponenten deren Messungen verzerren. Zur Lösung dieses Problems konzipierte BALANCE überdies im Rahmen einer Zusammenarbeit einen tragbaren bewegungsaufnehmenden Anzug, der gegenüber magnetische Störungen robust ist. Mensch und Roboter: aus dem Ganglabor in die Exoskelettarena Der Einfallsreichtum der Projektforscher brachte das EMY-Exoskelett tatsächlich voran, das in gemeinsamer Arbeit mit anderen Projekten, die unter erheblichen Verzögerungen litten, entwickelt wurde. Es musste eine Mitigationsstrategie formuliert werden, die eine Neuplanung der gesamten zweiten Projekthälfte und den Einsatz von LOPES II und BAR-TM beinhaltete. LOPES II wurde von anderen Mitgliedern des Konsortiums erarbeitet und ist ein laufbandgestütztes Exoskelett, während es sich bei BAR-TM um einen Beckenstützroboter handelt. Unter Einbeziehung der Ergebnisse von BALANCE im Bewegungsrehabilitationszentrum wurden die Projektresultate zur Bewertung und Training des Gleichgewichts bei Schlaganfallpatienten mit Hilfe von robotischen Geräten genutzt, die aus der BALANCE-Forschung entwickelt wurden. Das Projekt trug außerdem erheblich zu verschiedenen Ausgründungsinitiativen einschließlich des European Network on Wearable Robots, Sicherheitsnormen im Zusammenhang mit der Internationalen Organisation für Normung und der Internationalen Elektrotechnischen Kommission für Pflegeprodukte und medizinische Exoskelettanwendungen und zur Einführung eines Netzwerks für Benchmarking in Europa bei. „Konkrete Schritte hin zur Kommerzialisierung sowie zu Patenten ist man bei drei Lösungen gegangen: dem magnetisch unempfindlichen bewegungsaufnehmenden Anzug, den Algorithmen zur Messung der Gleichgewichtsqualität in Echtzeit und BAR zur Bewertung und zum Training des Gleichgewichts in der Schlaganfallrehabilitation“, erklärt Dr. Veneman. „Nun nach Projektabschluss wird jeder Partner seine eigenen Beiträge zum BALANCE-Projekt weiterentwickeln.“ Denkt Dr. Veneman an die Zukunft der Robotik in diesem schnell expandierenden Bereich, so kristallisiert sich Folgendes heraus: „Ultimatives Ziel ist, dass das Exoskelett reibungslos mit dem in ihm steckenden Menschen zusammenarbeitet.“
Schlüsselbegriffe
BALANCE, Gleichgewicht, Roboter-Exoskelett, robotisches Außenskelett, Sturz, Rehabilitation