© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 1

in Kooperation mit den Instituten EEP und IFF der Universität Stuttgart

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR PRODUKTIONS-TECHNIK UND AUTOMATISIERUNG IPA

Wir produzieren ZukunftNachhaltig. Personalisiert. Smart.

© Fraunhofer

Abteilung

Biomechatronische Systeme

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung

I PA

Gruppe

Antriebssysteme und Exoskelette

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 3

Wer sind wir?Die Gruppe Antriebssysteme und Exoskelette

Software-technik

Maschinen-bau

Elektrotechnik

Kybernetik

Mechatronik und Bio-

Mechatronik

Physio-therapie

Orthopädie und Medizin

DesignBiologie und

Bionik

Sportwissen-schaft

Material-wissenschaft

Abteilungskompetenz

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 4

Was bieten wir?Antriebslösungen am und für den Menschen

Antriebs- und Elektrolabor

Fertigung mechanischer

und elektronischer Komponenten

Mechanisches Prüflabor

Freiform-CAD

3D-Scan +Generative Fertigung

Rapid Prototyping

Systeme

Bewegungs-labor

Simulation und Reglerentwurf

Platinenlayout und Entwurf

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 5

Elektronisches Kniegelenk

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 6

Entwicklungsprojekt Kniegelenk

Entwicklung eines mikrocontrollergesteuerten Kniegelenks mit aktuierter variabler Dämpfung für Industriepartner:

Herausforderung

neues Terrain für Industriepartner

kurze Entwicklungszeit erfordert moderne Entwicklungswerkzeuge

hohe Interdisziplinarität: Orthopädie - Maschinenbau – Elektrotechnik –Regelungstechnik

Konzeption und Entwicklung

Bewegungs- und Kraftsensorik

Kleinstantriebe

Steuerungsplattform mit WiFi

Umsetzung

Rapid Prototyping mit dSPACE

erfolgreiche Outdoor Gangtests mit Proband

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 7

Gangtest mit Kniegelenk

Mit freundlicher Genehmigung von Össur

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 8

Reziproke Gehorthese

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 9

Antriebstechnik – Biomechatronische Systeme Servus RGS - Selbstbestimmt gehen trotz LähmungAusgangss ituation

ORTHO-SYSTEMS hat das Servus-RGS Exoskelett entwickelt, welches unterkörper-gelähmten Personen ermöglicht, wieder selbstständig zu laufen. Allerdings funktionierte dies nur auf geraden, flachen Strecken, was die Mobilität außerhalb des Wohnorts stark einschränkt.

Lösung

Wir haben adaptive Fußeinheiten entwickelt, die es ermöglichen Steigungen von bis zu 7° – die deutschland-weite Richtlinie für Barrierefreiheit – zu bewältigen. Die Fußeinheiten des Gehskeletts wurden mit Sensoren (Distanzsensorik: Infrarot- und Ultraschall), Aktoren und einer dritten Bodenplatte erweitert. Außerdem ermittelt ein eigens entwickelter Algorithmus den Neigungswinkel und berechnet, wie er sich ausgleichen lässt.

Nutzen

Steigerung der Selbstständigkeit von Personen mit Behinderung in barrierefreien Umgebungen

Kostengünstige Ergänzung der Gehorthese

Allzeit zuverlässige Sensorik, auch bei ungünstigen Licht- und Witterungsbedingungen

ORTHO-SYSTEMS Thomas Böckh

Thomas Böckh,

Geschäftsführer

ORTHO-SYSTEMS ist ein Hersteller von Orthesengelenken für die Orthopädietechnik

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 10

Antriebstechnik – Biomechatronische Systeme Servus RGS - Selbstbestimmt gehen trotz Lähmung

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 11

Entwicklungsprozess - „Ergonomie-Technik-Loop“

techn.Spezifikation

Konzeptionierung

Simulation +Funktionsprüfung

Versuchsaufbau

Tests +Optimierung

Sicherheits-beurteilung

Integration Arbeitsumfeld

Evaluation

ergonomischeAnforderungen

biomechanischeAnalyse

ergonomische Herausforderung im Arbeitsprozess

Ergonomie Technik

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 12

Problematik Muskel-Skelett-Erkrankungen von Arbeitnehmern*

Folgenindividuelle gesundheitliche Einschränkungen

+543,4 Millionen Ausfalltage

(24,3% aller krankheitsbedingten Fehltage!)+

ca. 20 Milliarden € Bruttowertschöpfungsausfall

Heben und Tragen von schweren

GegenständenHauptursache neben weiteren Ursachen

* Erwerbstätigenbefragung 2016 Bundesinstitut für Berufsbildung und Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin

Herkunft und Ursache von Muskel-Skelett-Erkrankungen?

25% derErwerbstätigen

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 13

Prognose Gesamt-Marktvolumen Exoskelette für 2025: $ 1,9 Milliarden. (ABI Research)

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 14

Prognose Marktaufteilung Exoskelette für 2025 (ABI Research)

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 15

Ergonomische Herausforderung im Arbeitsprozesskörperlich belastende Tätigkeiten

Montage, Logistik, Hebe- und

Tragetätigkeiten

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 16

Biomechanische Bewegungsanalyse

Feldmessung: Motion Capturing (Qualisys) + Bewegungssensorik

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 17

Biomechanische Bewegungsanalyse bei Überkopf-Arbeit

Video: Analyse mit Qualisys QTM

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 18

Biomechanische Bewegungsanalyse

3D Scan Arbeitsumgebung

Nachbau der Arbeitsumgebung im Labor

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 19

Exoskelett-Mensch-Simulationbasierend auf kinematischen und kinetischen Messdaten

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 20

Exoskelett-Mensch-SimulationSimulationsbasierte Auslegung und Validierung

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 21

Simulation und Regelungsdesign

EU

H2

02

0 A

IDE

/IP

A/S

SSA

Entwurf in sehr kurzer Zeit durch Einsatz von modernen Software-Prozessketten

Beispiele:• Positions-/Geschwindigkeits-

regelung• stabilisierte Kraftsteuerung• Beobachtung unbekannter

Zustandsgrößen (Kalmanfilter)

• Reibungskompensation

• endl. Zustandsautomat• Machine Learning Techniken

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 22

Regelungsoptimierung auf Rapid-Prototyping System

Stuttgart Exo-Jacket im Testlauf

Einsatz von Rapid-Prototyping Systemen• dSPACE• TI Microcontroller

WLAN

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 23

Konzeption – Stuttgart Exo-JacketAktorik

über 10 Gelenke

davon vier aktiv angetrieben

Schultermoment bis zu

40 Nm

Ellenbogenmoment bis zu

25 Nm

Demonstrator Stuttgart Exo-Jacket: Exoskelett für die oberen Extremitäten

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 24

Konzeption – Stuttgart Exo-JacketSteuerung und Elektronik

Regelungsfunktionalitäten

• Gravitationskompensation

• Gewichtschätzung

• Kraftunterstützung

kabellose Datenübertragung und

Steuerung

periphere Elektronik und Sensorik

Antriebsmodul

Schulterkinematik

Rückenmodul

Sensorik

Stuttgart Exo-JacketSchema

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 25

ValidierungsprozessEvaluation am Menschen

…….

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 26

Exoskelett - Echtzeit InformationenKommunikationstechnologie

Informationsaustausch in Echtzeit zwischen den Cyber-Physischen Systemen (CPS) in der Fabrik

Datenbank (Cloud) Synchronisation Fehlerreduzierung in der Fertigung

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 27

I

P

A

Überwachung der Vitalfunktionen in EchtzeitGesundheitsschutz

Messung und Auswertung von Vitalparametern (z.B. Herzfrequenz, Blutdruck)

Verknüpfung von physiologischen und biomechanischen Parametern

Präventionsmaßnahmen

Medizinische Überwachung

IoT

Cloud Plattform

Gesundheitsabteilung

© Fraunhofer

15.10.2018, Folie 28

Fraunhofer IPANobelstr. 12, 70569 Stuttgart

Dr.- Ing. Enrique Bances

Abteilung Biomechatronische SystemeGruppe Antriebssysteme und Exoskelette

Tel.: +49 711 970-3711enrique.bances@ipa.fraunhofer.de

http://www.ipa.fraunhofer.de/antriebstechnik.htmlhttp://www.ipa.fraunhofer.de/exoskelette.html

Vielen Dank!