Exoskelett für die robotergestützte Rehabilitation
Das entwickelte Ganzkörper-Exoskelett erfasst kinematisch annähernd den gesamten Bewegungsraum des menschlichen Körpers. Bild: DFKI
Robotische Systeme spielen für die medizinische Rehabilitation eine immer größere Rolle. Auf der CEBIT-Expo vom 12. bis 15. Juni 2018 in Hannover stellt das Robotics Innovation Center des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Halle 27, Stand F62, das Projekt Recupera REHA vor. Darin gelang dem DFKI-Forschungsbereich ein Durchbruch auf dem Gebiet der Rehabilitationsrobotik: Gemeinsam mit der Rehaworks GmbH entwickelte es ein mobiles Exoskelett für die Oberkörperassistenz speziell zur robotergestützten Therapie nach einem Schlaganfall.
Über drei Jahre arbeitete ein interdisziplinäres Forscherteam des DFKI an einem tragbaren Ganzkörper-Exoskelett, das der äußeren Unterstützung des menschlichen Bewegungsapparates dient. Darauf aufbauend entwickelte es ein mittelfristig für die medizinische Rehabilitation einsetzbares robotisches Teilsystem. Als Anwendungsszenario wählten die Bremer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Therapie bei Schlaganfallpatienten. Auf der CEBIT 2018 demonstrieren sie die Funktionsweise der in Recupera REHA konzipierten Systeme.
Das entwickelte Ganzkörper-Exoskelett erfasst kinematisch annähernd den gesamten Bewegungsraum des menschlichen Körpers. Die Oberkörperkonstruktion dient dabei der Rehabilitation, die von der flexiblen Beinkonstruktion getragen wird. Im Gegensatz dazu trägt sich das Teilsystem nicht selbst, sondern ist an einem Rollstuhl befestigt. Zum Aufbau der Exoskelette erarbeitete das Forscherteam innovative Methoden im Leichtbau sowie in der Antriebstechnologie und Regelungstechnik. Die mechatronischen Ansätze kombinierten sie mit einem neuen System zur Online-Auswertung von Elektroenzephalografie- und Elektromyografie-Signalen (EEG-/EMG-Signalen), wodurch eine Einschätzung des Zustands des Patienten sowie eine mehrstufige Unterstützung der Regelung möglich ist. Der Verbundpartner Rehaworks GmbH betrachtete im Rahmen des Projekts die Anforderungen an medizinische Geräte und evaluierte dahingehend kontinuierlich die Systeme.
Drei verschiedene Steuerungsmodi
Für das robotische Teilsystem untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedene Ansätze der rehabilitativen Therapie, die sie im Rahmen einer Anwenderstudie mit Schlaganfallpatienten evaluierten. Der Patient im Exoskelett oder eine dritte Person können das System betätigen und zwischen drei verschiedenen Steuerungsmodi wählen: Im ersten Modus lässt sich durch die Bewegung eines Armes, der andere mitbewegen – dieser führt dann exakt die gleiche Bewegung aus, wie der vom Patienten bewegte Arm.
Der zweite Modus ermöglicht die Steuerung der Bewegung, die von einer dritten Person, beispielsweise dem Therapeuten, durch Führung eintrainiert wurde. Im dritten Modus kann das Exoskelett auf Basis der Muskelaktivität des Patienten (die bei der Patientengruppe noch geringfügig vorhanden ist) gesteuert werden. Dies erfolgt durch die Messung der Elektromyografie-Signale (EMG-Signale), aus denen das System die Bewegungsabsicht des Patienten ableitet und ihn in seinen Bewegungsabläufen intuitiv unterstützen kann. Hierbei kommt unter anderem das am Robotics Innovation Center entwickelte Software-Framework reSPACE zum Einsatz, das die mobile Verarbeitung großer Datenmengen in Echtzeit mit Hilfe von Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) ermöglicht.
Recupera REHA wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Projektträger Softwaresysteme und Wissenstechnologien (PT-SW) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) mit knapp drei Millionen Euro gefördert. (ig)