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Session: X

Modellbasierte Verträglichkeitsanalyse der Interaktion des

menschlichen Körpers mit kraftassistierenden

Unterstützungssystemen itsowl-TT-MoVeIt

(OTW Orthopädietechnik Winkler)10/11. Oktober 2017 | Lemgo

© it‘s OWL Clustermanagement GmbH | 17.10.2017 2

Einführung

Zielsetzung

Ergebnisse

Agenda

Resümee und Ausblick


EinführungO.T.W. – Orthopädietechnik Winkler

© Foto Fraunhofer IPK/IZM © Foto Robert Bosch GmbH

• Produkte:

• Prothetik

• Orthetik

• Dysmelieversorgung

• Gehschultraining

• Aktuelle Entwicklungen:

• Aktive Prothesen und Orthesen

• Innovative Kontroll- und Steuerelemente sowie rekuperative Energiespeicher

• Integration von EMG Oberflächenelektroden oder Drucksensoren

in die mechanische Funktion

• EXO-Systeme


EinführungForschungspartner

Fraunhofer Entwurfstechnik Mechatronik

▪ Start am 1.März 2011 als Projektgruppe des

Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie

IPT, Aachen

▪ Eigenständig seit 1. Januar 2016

▪ Derzeit 154 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

(Stand 2016)

Heinz Nixdorf Institut

▪ Forschungszentrum der Universität Paderborn

▪ 1987 gegründet

▪ Derzeit 200 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

sowie 9 Professuren


EinführungMotivation/ Ausgangssituation für das Transferprojekt

Ausgangsituation

• 33% aller Arbeitsausfälle in der EU

=> Muskulo - Skelettale Erkrankungen

Hauptrisikofaktoren

• hohe Aktionskräfte

• ungünstige Körperhaltungen

• Krankheit und Alter

Hilfsmittel

• kraftassistierende Unterstützungssysteme

• körpergetragene Exoskelette

Problem

• komplexe mechatronische Systeme

• +

• komplexe biomechanische Systeme

• lange Entwicklungszeit

Motivation

• ganzheitliche, disziplinübergreifende Entwurfsmethodik


Einführung

Zielsetzung

Ergebnisse


Agenda


ZielsetzungModellbasierte Verträglichkeitsanalyse der Interaktion des


Unterstützungssystemen

• Erarbeitung einer ganzheitlichen, disziplinübergreifenden

Entwurfsmethodik für die Entwicklung von kraftassistierenden

Unterstützungssystemen (Zusammenwirken von Biomechanik und

Mechatronik).

Handlungsbedarf

• an einem konkreten Beispiel mögliche Vorgehensmodelle der

Entwurfsmethodik Aufzeigen

• Einführung moderner Entwicklungsmethoden bei der

systematischer Auslegung eines konkreten Exosystem

Zielsetzung


VorgehensweiseModellbasierte Verträglichkeitsanalyse der Interaktion des


Unterstützungssystemen

▪ VDI, Richtlinie 2206

„Entwicklungsmethodik für

mechatronische Systeme“


Einführung

Zielsetzung

Ergebnisse


Agenda


Trägerkonstruktion

Modellierung TeilsystemeAssistenzsystem „3.Arm“ Fa. CBT

Schulter 1 (rev. joint passiv)

Schulter 2 (rev. joint) Schulter 3 (rev. joint)

Ellbogen (rev. joint)

Handgelenk@BOSCH


▪ Systemverständnis

▪ Antriebsdimensionierung

▪ Machbarkeit prüfen

▪ Varianten vergleich

▪ Design und Optimierung

▪ Parameterstudie

▪ Dauerfestigkeit

Modellierung TeilsystemeAssistenzsystem „3.Arm“ Fa. CBT

Ergebnisse


▪ Bewegungsbereich Gelenke

• Sternoclavicular

• Shoulder

• Elbow

• Radioulnar

• Radiocarpal

▪ Belastung Gelenke

• Reaktionskräfte

• Reaktionsmomente

Ergebnisse

Modellierung TeilsystemeMenschsystem Upper Extremity


Ergebnisse

Modellierung TeilsystemeMenschsystem

Ellbogen

Schulter

Input: Winkelvorgabe Output: Momente

Output: Hand Haltekraft

Reaktionskraft


Ergebnisse

Modellierung GesamtsystemMensch + Assistenzsystem „3.Arm“

+

Mensch

=

3.Arm Mensch + 3.Arm

Massen

• Trägerkonstruktion – 2,3 kg

• PowerTool - 4.3 kg


Ergebnisse

Modellierung GesamtsystemAnalyse

Gelenkwinkelvorgabe

Antriebsmomente 3.Arm

Kinematische Kompatibilität zwischen

Exoskelett und Mensch

Bewegung von Exoskelett und Kollisionen mit

dem menschlichen Körper

Aktuator – Bewegungsbereich

Kontaktkräfte zwischen Exoskelett und

Mensch

Leistungsaufnahme und Spitzenleistung für

Aktoren

Spitzenkräfte / Momente in der Stellgliedern

Vorhersage Reaktionskräfte

Regelungskonzepte

Verträglichkeitsanalyse

TransferEinsatzmöglichkeiten im Unternehmen


▪ Verformungs- und

Spannungsberechnungen

der Konstruktion

bei unterschiedlichen

Bewegungsabläufen

Ergebnisse

Modellierung GesamtsystemFEM Analyse


Einführung

Zielsetzung

Ergebnisse


Agenda


▪ Ist-Analyse und Anforderungen an die Interaktion des menschlichen Körpers mit

kraftassistierenden Unterstützungssystemen

▪ Modellierungsansätze und Modellierungsumgebung für modellbasierte

Entwicklung von Exosystemen

▪ Parametriertes domänenübergreifendes (Biomechanik und Mechatronik)

Simulationsmodell mit Bewegungsabläufen

▪ Simulationstechnische Analysen der Bewegung des menschlichen Körpers mit

einem kraftassistierenden Unterstützungssystem

▪ Ansätze für ganzheitliche, disziplinübergreifende Entwurfsmethodik

▪ Entlastung bis 80%


Resümee

▪ Einsatz im Unternehmen

▪ Mehrere weitere Forschungsprojekte geplant

▪ Weiterentwicklung der modellbasierten Methodik im Unternehmen

Ausblick

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