Perfekt angepasst: Ein motorgetriebenes Exoskelett aus dem 3D-Drucker

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Eine belgische Forschungsgruppe optimiert die Eigenschaften motorgetriebener Exoskelette, indem sie die Geräte mithilfe von 3D-Scans, CAD und 3D-Druck individuell anpasst.

Am Körper getragene Robotertechnik wie beispielsweise ein motorgetriebenes Exoskelett soll dabei helfen, dass Menschen auch im Alter mobil bleiben oder sie unterstützen bei der medizinischen Rehabilitation. Trotz der Tatsache, dass die Forschung Fortschritte erzielt, existiert nach wie vor ein wesentliches Problem: Wie erreicht man, dass der Mensch und das automatisierte Exoskelett perfekt miteinander interagieren?

Technisch bedeutet das: Wie erreicht man ein vollkommenes mechanisches Zusammenspiel, sodass diese miteinander verwachsen? Die Frage ist nicht einfach zu beantworten, denn jeder Mensch ist anthropometrisch und biomechanisch betrachtet einzigartig, das heißt seine Gliedmaße, deren Beweglichkeit und sein Gang sind absolut individuell. Demnach muss für jeden Menschen eine eigene Lösung entwickelt werden.

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3D-Scan erfasst die individuelle Anatomie

Vorgefertigte Lösungen nicht die beste Option. Belgische Wissenschaftler haben verstellbare Orthesen entwickelt, die mithilfe von Riemen und Klammern am Körper befestigt werden können. Da die Befestigungen oft verrutschten, führte das dazu, dass das Exoskelett nicht effektiv eingesetzt werden konnte. Die Forschungsgruppe fand eine andere Lösung: mithilfe eines 3D-Scans lässt sich die individuelle Anatomie erfassen und eine Orthese anfertigen, welche der Anatomie exakt entspricht.

Genauer gesagt werden hier die physikalischen Schnittstellen des Exoskeletts in 3D gescannt, da sie die mechanische Verbindung zwischen Mensch und Roboter darstellen. Mit diesem Verfahren lässt sich ein besseres Zusammenspiel zwischen Mensch und Orthese und eine größere Stabilität des Exoskeletts erzielen – ohne Einbußen im Komfort. Um diese Lösung umzusetzen, erwarb die Forschergruppe den 3D-Objektscanner Artec Eva von Artec 3D bei dem Gold-Partner 4C Creative CAD CAM Consultants.

Der 3D-Scan hat im Vergleich zu verstellbaren Orthesen verschiedene Vorteile: In weniger als fünf Minuten kann dank des präzisen Scans ein digitales Abbild des Patienten generiert werden. Das Exoskelett MIRAD soll beim Gehen Hüfte, Knie und Fußgelenke auf beiden Seiten unterstützen. Deshalb muss anhand der Fachliteratur zur Biomechanik ermittelt werden, welche Kräfte auf die Gelenke der betreffenden Person (Fußgelenke, Knie und Hüfte) übertragen werden müssen, um diese effektiv beim Gehen zu unterstützen.

Aktor für Exoskelette gut geeignet

Mit diesen Informationen und dem Wissen über die Druckschmerzschwelle, also den maximalen Druck, den ein Mensch in einer bestimmten Körperregion aushält, ohne Schmerz zu empfinden, kann ein Orthesenprototyp konstruiert werden. Ein wesentliches Merkmal des Aktors ist die Verwendung eines regulierbaren elastischen Elements – eine Feder mit variabler Vorspannkraft –, in Reihe geschaltet mit einem Elektroantrieb. Aufgrund seiner Eigenschaften ist der Aktor für Exoskelette gut geeignet: Er speichert Energie und bietet eine erhöhte Spitzenleistung, Stoßbelastungstoleranz sowie einen niedrigen Ausgangswiderstand. Im Gegensatz zu konventionellen steifen Aktoren – wie beispielsweise einem Zahnradantrieb – erlaubt dieser weiche Aktor Abweichungen von der Zielposition, wenn externe Kräfte durch den Anwender auf ihn wirken.

Um eine maßgeschneiderte Orthese anzufertigen, bestimmt Dr. Langlois von der Forschungsgruppe Robotics & Multibody Mechanics (R&MM) zunächst die Bereiche, die erfasst werden müssen. Dazu gehören unter anderem der Unterschenkel. Dann wählt er eine oder mehrere Personen aus, an denen die Orthese getestet wird. Diese Personen werden gescannt und die Scan-Daten in der 3D-Modellierungssoftware Artec Studio verarbeitet.

Vorteile von 3D-Scan und 3D-Druck

Im Anschluss an die Nachbearbeitung wird die .STL-Datei in ein CAD-Programm exportiert, wo eine perfekt sitzende Orthese designt wird. Der letzte Schritt besteht darin, die Orthese mithilfe eines additiven Fertigungsverfahrens herzustellen. Nach dem 3D-Druck der Orthese wird diese mit Karbonfaser und dem Verbundwerkstoff Epoxidharz verstärkt.

3D-Scanning und 3D-Druck sind im Vergleich zu einer Gipsform auch deshalb besonders vorteilhaft, weil die Daten digital gespeichert werden können. Aus Konstruktionssicht hat das digitale Verfahren den Vorzug, dass die betroffene Person umfassend in den Bau des Roboters einbezogen werden kann. Es bietet außerdem mehr Freiheiten bei der Herstellung bzw. Fertigung der Orthese, da es den Einsatz von CAM-Verfahren (CAM = Computer Aided Manufacturing) wie den 3D-Druck zulässt. Das wiederum kann Kosten sparen und sowohl die Qualität als auch die Anwendbarkeit der Produkte verbessern.

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