RECUPERA-Reha

Ganzkörper Exoskelett für die robotische Oberkörper-Assistenz

Projektziele und die einzelnen Komponenten in Recupera-Reha (Quelle: Johannes Teiwes / Niels Will, DFKI GmbH)
Projektziele und die einzelnen Komponenten in Recupera-Reha (Quelle: Johannes Teiwes / Niels Will, DFKI GmbH)
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Das Projektziel von RECUPERA-Reha ist die Entwicklung eines innovativen und mobilen Ganzkörper-Exoskeletts, sowie eines eigenständigen aktiven Teilsystems zur robotergestützten Rehabilitation von neurologischen Erkrankungen. Das selbsttragende Ganzkörper-Exoskelett soll kinematisch annähernd den gesamten Bewegungsraum des menschlichen Körpers erfassen und energieautark agieren können. Zum Aufbau des Systems werden neue Methoden zur Aktuation, Regelungstechnik und zum Leichtbau erarbeitet. Die mechatronischen Ansätze werden mit einem neuen System zur Online-Auswertung von EEG/EMG-Signalen kombiniert, um eine Einschätzung des Zustandes der bedienenden Person und eine mehrstufige Unterstützung der Regelung des Exoskeletts zu ermöglichen. Bei der Entwicklung des eigenständigen Teilsystems sollen die Neuerungen aus dem Ganzkörper-Exoskelett aufgegriffen und hinsichtlich verschiedener Ansätze der Therapie und Rehabilitation untersucht werden. Die enge Zusammenarbeit mit dem Verbundpartner rehaworks ermöglicht die Evaluierung der medizinischen Anwendbarkeit der projektierten Komponenten und eröffnet neue Perspektiven in der Entwicklung von prototypischen robotischen Rehabilitationsgeräten. Die Bestimmung der Leistungsfähigkeit und der Ergonomie der Systeme wird in einer anschließenden Evaluationsphase ermittelt. Zudem werden Kriterien einer Pilotstudie im Anwendungsszenario Oberkörperrehabilitation erarbeitet.

Laufzeit: 01.09.2014 bis 31.12.2017
Zuwendungsempfänger: DFKI GmbH
Fördergeber:
Förderkennzeichen: Gefördert von der Raumfahrt-Agentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 01IM14006A.
Partner: rehaworks GmbH
Team: Team I - Systemdesign
Team IV - Roboterregelung
Team VII - Nachhaltige Interaktion & Lernen
Anwendungsfelder: Assistenz- und Rehabilitationssysteme
Verwandte Projekte: VI-Bot
Virtual Immersion for holistic feedback control of semi-autonomous robots (01.2008- 12.2010)
Capio
Dual-Arm-Exoskelett (01.2011- 12.2013)
IMMI
Intelligentes Mensch-Maschine-Interface - Adaptives Brain-Reading für unterstützende Robotik (05.2010- 04.2015)
Verwandte Robotersysteme: Exoskelett aktiv (Capio)
Capio Oberkörper-Exoskelett für die Teleoperation
Exoskelett Passiv (CAPIO)
Oberkörper Mensch-Maschine-Interface für die Tele-Operation
Exoskelett Passiv (VI-Bot)
Passives Exoskelett für den menschlichen Oberkörper (rechter Arm)
Verwandte Software: CAD-2-SIM
Computer Aided Design To Simulation
pySPACE
Signalverarbeitungs- und Klassifikationsumgebung in Python
reSPACE
Reconfigurable Signal Processing and Classification Environment
Bundesministerium für Bildung und Forschung
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

Projektdetails

Skizze einer möglichen Exoskelett-Kinematik der Beine (Quelle: David Grünwald, DFKI GmbH)
Biosignale vor und während einer Bewegung. A: Elektroenzephalogramm (EEG) an verschiedenen Kopfpositionen B: Elektromyogramm (EMG) verschiedener Muskeln (Quelle: Marc Tabie, DFKI GmbH)

Bidirektionale Mensch-Maschine Interaktion

Im Mittelpunkt dieses Teilaspekts steht die Entwicklung von schlüssigen Anwendungskonzepten und deren spezifischen Anforderungen für den Umgang mit Patienten im Kontext der motorischen Rehabilitation. Hierbei sollen sinnvolle Synergien zwischen Mensch und Maschine geschaffen werden, um die Verfahren und Arbeitsschritte in der Rehabilitation zu optimieren sowie für Patienten und Therapeuten erweiterte und innovative Therapieoptionen auf Basis neuer Technologien zu ermöglichen.

Entwicklung mechatronisches System

Aufgabe in diesem Bereich ist die Entwicklung eines inhärent sicheren Robotersystems. Diese Entwicklungsarbeit umfasst die Erstellung einer dem Menschen angepassten Kinematik, der Entwicklung geeigneter Antriebe, die Bereitstellung eines elektronischen Systems und die Integration der einzelnen Bestandteile zu einem Gesamtsystem. Parallel wird ein aktives Teilsystem aus den entwickelten Komponenten extrahiert und als  eigenständiger Demonstrator aufgebaut.

Kinematik und Dynamik

Das Ziel, ein neuartiges Ganzkörper-Exoskelett aufzubauen, umfasst im Bereich der Kinematik und Dynamik das Lösen unterschiedlicher Aufgaben, sowie die Beantwortung von spezifischen Fragestellungen. Im Bezug auf die kinematischen Ketten des Systems betrifft dies beispielsweise die Auswahl  geeigneter Gelenktypen oder die Länge von Strukturbauteilen im Zusammenspiel mit den menschlichen Gliedmaßen. In der erforderlichen dynamischen Synthese wird die korrekte Auslegung der benötigten Aktuatorstärken  hinsichtlich der gegebenen Massen ermittelt. Unterstützend  zu weiteren Teilaspekten und dem optimalen Betrieb des Exoskeletts werden weitergehende Fragestellungen bearbeitet, die sich z.B. mit der synchronen Auswertung von Bewegungs- und sensomotorischen Daten, der Beurteilung des Benutzerverhaltens und der Ansteuerung des Systems für einen individuellen Patienten befassen.

Adaptives Steuerungssystem

Ziel ist die Entwicklung einer hochmodularen, mehrstufigen Regelungsstruktur, welche eine dynamische Kontrolle des Exoskeletts ermöglicht. Die grundlegende Architektur der Regelung wird aus drei hierarchisch angeordneten Ebenen bestehen und über einzeln auswählbare, sowie variabel miteinander kombinierbare Module verfügen. Eine der Kernaufgaben ist hierbei die Entwicklung von assistiven Regelungsstrategien für die Rehabilitationsanwendung.

Biosignal-Integration

In diesem Bereich werden die Voraussetzungen geschaffen,  elektroenzephalografische und elektromyografische Aktivität (EEG und EMG) mit dem Ansatz von embedded Brain Reading (siehe ein Video aus einer anderen Anwendung hier) in die robotorgestützte Rehabilitation einzubeziehen. Dabei ist geplant, dass die Biosignale als Zusatzelement  der Exoskelett-Kontrolle eingesetzt werden, um eine optimale  Anpassung an die Bedürfnisse der Patienten zu erreichen. Dies erfordert das Aufnehmen von EEG- und EMG-Daten und das Erarbeiten von neuen automatischen Verfahren zum Markieren und Auswerten der Daten im Kontext der angewandten Therapie. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Generierung von Aktivitätsmodellen gesunder Probanden, um im Vergleich zu erkrankten Personen beispielsweise Rückschlüsse auf Rehabilitationsfortschritte ziehen zu können. Zur Analyse der EEG- und EMG-Daten, aber auch für die Untersuchung der Möglichkeiten zur Einbindung weiterer Daten vom robotischen System, wird die quelloffene Software pySPACE (Signal Processing And Classification Environment in Python) verwendet. pySPACE unterstützt sowohl die Generierung von Aktivitätsmodellen als auch die Anpassung des robotischen Systems an den Patienten. Es können zahlreiche Verfahren verglichen und optimiert und die Ergebnisse den Partnern vorgestellt werden. Dies beinhaltet auch die Anpassung der Verfahren zur Laufzeit. Erst nach einer Optimierung der Verfahren ist eine feste Einbettung des entwickelten Ansatzes in das Exoskelett möglich.

Eingebettete Datenverarbeitung

Um die für Anwendungen in der Rehabilitation notwendige Autonomie zu erreichen, müssen alle Berechnungen (Kinematik/Dynamik, Regelung, Biosignalverarbeitung) in einem in das Exoskelett eingebetteten System, durchgeführt werden. Um die dabei notwendige Rechenleistung gewährleisten zu können, und dennoch platz- und energiesparend zu sein, sollen FPGAs eingesetzt werden. Dadurch können spezialisierte Hardwarebeschleuniger die jeweiligen Berechnungen effizient und echtzeitfähig durchführen. Für die Implementierung der Hardwarebeschleuniger soll das Framework reSPACE (reconfigurable Signal Processing And Classification Environment) genutzt und erweitert werden, um auch komplexe Regelungs- und Kinematikberechnungen durchführen zu können.

Videos

Capio Exoskelett: Ansteuerung über Biosignale

Demonstration der Ansteuerung des Capio Exoskeletts über Biosignale: Das Exoskelett-System erfasst durch die Verarbeitung von Biosignalen die Bewegungsintention des Operators und führt eine zielgerichtete aktive Bewegung des rechten oder linken Arms aus. Hierbei wird mittels Eye-Tracker der Interaktionswunsch erfasst (Fixierung einer virtuellen Flasche), mittels elektroenzephalographischer Signale (EEG) die Bewegungsintention des linken bzw. rechten Arms ermittelt und durch elektromyographische Signale (EMG) die Bewegungsintention zusätzlich verifiziert.

Publikationen

2017


2016


2015


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zuletzt geändert am 01.11.2017
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