Da viele Gesellschaften zunehmend älter werden, wächst der Bedarf an Systemen, die die Mobilität von Menschen im Alter fördern. Das Central Advanced Research and Engineering Institute von Hyundai Motor entwickelt solche Mobilitätstechnologien. Die dort tätigen Wissenschaftler arbeiten nicht an konventionelle Fortbewegungsmittel. Sie erforschen Mobilitätshilfen, für ältere und körperlich eingeschränkte Menschen, die ihre Fortbewegung und Beweglichkeit verbessern. Eine Möglichkeit dafür sind Roboteranzüge, sogenannte Exoskelette. Sie eignen sich nicht nur für ältere Menschen, sondern unter anderem auch für Patienten mit Rückenmarksverletzungen.
Exoskelette sollten auf das jeweilige Leiden der Person hin angepasst werden. Je nach betroffenem Körperteil unterscheidet man die Modelle:
Hip-Modular-Exoskeleton (modulares Hüft-Exoskelett): Gehhilfe für Personen mit Problemen im Hüftbereich
Knee-Modular-Exoskeleton (modulares Knie-Exoskelett): Gehhilfe für Personen mit Problemen im Kniebereich
Life-Caring-Exoskeleton (unterstützendes Exoskelett): Gehhilfe für ältere Menschen oder Personen mit eingeschränkter Funktionsfähigkeit der unteren Körperhälfte; der Anzug vereint Bestandteile für Hüfte und Knie
Medical Exoskeleton (Exoskelett für den medizinischen Einsatz): Gehhilfe für Menschen, die ihre untere Körperhälfte nicht bewegen können; der Anzug vereint Bestandteile für Hüfte und Knie
Die am Körper tragbare Robotertechnik stellt Ingenieure vor verschiedene Herausforderungen. Insbesondere die physikalische Verbindung zwischen dem menschlichen Körper und dem Roboter ist schwer umzusetzen. Besondere Schwierigkeiten bereiten der mechanische Aufbau, die Steuerungsarchitektur und die Entwicklung der Algorithmen für die Aktoren. Die Maße und das Gewicht der Elektrogeräte müssen sehr gering sein, damit der Roboter den Träger nicht behindert. Außerdem sollte die gesamte Abtastrate der Steuerung schnell genug sein, um die menschlichen Bewegungen nicht zu beeinträchtigen und angemessen auf äußere Einwirkungen reagieren zu können. Dafür benötigt man spezielle Embedded-Controller. Im Bereich der Steueralgorithmen sind noch viele Fragen offen, auch wenn die Roboterforschung in den letzten Jahren bereits erhebliche Erfolge verzeichnet hat.
Eine wichtige Rolle bei all diesen Punkten spielt der Haupt-Controller des Exoskeletts. Wichtig bei ihm sind:
eine schnelle Verarbeitung der Daten, die von verschiedenen Sensortypen gewonnen werden
die Abmessungen und das Gewicht
die Darstellung von Echtzeitdaten für die Entwicklung von Steueralgorithmen
die Anbindung an andere intelligente Geräte zur Bereitstellung weiterer nützlicher Funktionen
Sowohl für sein Life-Caring-Exoskeleton als auch für das erst kürzlich vorgestellte Medical Exoskeleton nutzt Hyundai Motor ein CompactRIO-Modul von National Instruments (NI). Der Medizinroboter ist für Menschen mit Querschnittslähmung gedacht. Er beruht auf dem System-on-Module (SOM) sbRIO-9651 von NI und wurde mit der Entwicklungsumgebung LabView des Unternehmens entwickelt. Wichtig war in diesem Fall, dass das Board nicht nur über einen Echtzeit-Controller, sondern auch über einen FPGA verfügt.
Systemkonfiguration
Während der Entwicklung ist es wichtig, dass die Ein- und Ausgänge der Echtzeitsteuerungs- und FPGA-Hardware kompatibel zu unterschiedlichen Robotersteuerungsgeräten sind. Oft verändert sich zum Beispiel die Steuerungsarchitektur der Exoskelette erheblich, da Sensoren austauscht werden oder die Kommunikationsmethode für die Steuerung verändert wird. Diese Anpassungen lassen sich aufgrund der Kombination aus Echtzeit-Controller und FPGA-Funktionen des SOMs direkt umzusetzen. Dadurch verringert sich die Entwicklungszeit deutlich. Darüber hinaus hilft das kompakte SBRio-9651 dabei, das Gewicht des Roboters unter 10 kg zu halten. Gleichzeitig sorgt das Modul durch eine Basissystemkonfiguration mit geringem Stromverbrauch für eine maximale Akkuleistung.
Gründe für die Auswahl von LabView
Komplexe Aufgaben in der Robotik bedeuten auch immer eine merklich erhöhte Anzahl an Sensoren und Aktoren. Außerdem steigt die Komplexität der Steueralgorithmen exponentiell an. Aus diesem Grund ist die simultane Verarbeitung aller Daten mehrerer Sensoren und die Übermittelung von Anweisungen an mehrere Aktoren eine der wichtigsten Herausforderungen in der Robotik. Die Entwicklungssoftware LabView unterstützt die parallele Darstellung zur intuitiven Signalverarbeitung für die an den Robotern installierten Sensoren. Mit dem Programm lassen sich außerdem Steueralgorithmen in den unterschiedlichen Versuchsstadien entwerfen. Bei dem angesprochenen Medical Exoskeleton konnte so die Entwicklungs- und Testzeit eines neuen Robotersteueralgorithmus von einem Monat auf nur eine Woche verkürzen werden. Prototypen lassen sich so schneller und leichter erstellen und zügig an unterschiedliche Anforderungen anpassen.
Die Kombination aus LabView und dem sbRIO-9651-Modul kann außerdem problemlos um zusätzliche Funktionen erweitert werden. Denkbar ist zum Beispiel der Einsatz von intelligenten Benutzeroberflächen. Diese könnten den Wechsel zwischen verschiedenen Bewegungsmodi, etwa zwischen dem Gehen, Sitzen oder Treppensteigen deutlich erleichtern. Die Verknüpfung von intelligenten Exoskeletten mit solchen Benutzeroberfläche könnte dem Träger außerdem bei der Anpassung zusätzlicher Parameter helfen. So sind zum Beispiel zusätzliche Bewegungsmuster, wie Schreiten, denkbar. Auch ließe sich damit die Zeit für das Gehen eines Schritts oder Tiefe und Breite beim Sitzen individuell anpassen. Zudem sind Daten zum Gangbild oder zum normalen Aktivitätsradius nützlich bei der Behandlung oder Rehabilitation. Ärzte könnten die Roboter außerdem für die weitere Behandlung einsetzen, indem sie anspruchsvollere Parameter, wie forcierte Gehzeit oder die Anpassung der Gelenkbewegung, einstellen.
Hyundai Motor hat mit der Entwicklung von Exo-
skelett-Robotern begonnen, die auf Wireless-Technologie basieren. Mit ihnen ist eine Ganganalyse möglich. Beim Tragen dieses Roboters können die Absicht und der Gehstatus ermittelt werden, indem Daten von dem Bereich zwischen Boden und Fußsohle erfasst werden. Als Technik für die Übertragung der Daten per Funk, kommt ZigBee zum Einsatz. Anwender können damit die erfassten Informationen drahtlos an einen Roboter senden. Dieser nutzt diese dann um die Bewegungen des Gehenden noch besser zu unterstützen. Falls der Patient den Roboter zur Rehabilitation trägt, können Ärzte den Zustand von Patient und Roboter überwachen und Trainingsmaßnahmen oder Anpassungen in Echtzeit bereitstellen. Das verbessert die Effizienz und Effektivität der Behandlung.
Welche Fortschritte bei der Bewegung Exoskelette den Patienten bereits heute bringen zeigte eine gemeinsame Präsentation von Hyundai Motor und der Korea Spinal Cord Injury Association im Januar 2016. Bei dieser konnte sich ein querschnittsgelähmter Patient, der mit einem Medizinroboter ausgerüstet war, erfolgreich hinsetzen, aufstehen und auf ebenem Untergrund gehen. Der Patient, der an dieser klinischen Studie teilnahm, ist in der unteren Körperhälfte gelähmt, eine Verletzung des zweiten und dritten Lendenwirbels, und leidet unter Muskellähmung und Sensibilitätsstörungen. Dennoch konnte er nach einer kurzen Einführung erfolgreich mithilfe des am Körper tragbaren Medizinroboters gehen. Ausgehend von diesem Erfolg und den aktuellen Fortschritten bei der Entwicklung, rechnet Hyundai Motors damit schon 2018 ein leichteres und besseres Produkt mit Zusatzfunktionen herstellen und im Jahr 2020 mit der Massenproduktion beginnen zu können.
