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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
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Einführung
Zielsetzung
Ergebnisse
Agenda
Resümee und Ausblick
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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
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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
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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
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Einführung
Zielsetzung
Ergebnisse
Resümee und Ausblick
Agenda
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ZielsetzungModellbasierte Verträglichkeitsanalyse der Interaktion des
menschlichen Körpers mit kraftassistierenden
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
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VorgehensweiseModellbasierte Verträglichkeitsanalyse der Interaktion des
menschlichen Körpers mit kraftassistierenden
Unterstützungssystemen
▪ VDI, Richtlinie 2206
„Entwicklungsmethodik für
mechatronische Systeme“
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Einführung
Zielsetzung
Ergebnisse
Resümee und Ausblick
Agenda
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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
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▪ Systemverständnis
▪ Antriebsdimensionierung
▪ Machbarkeit prüfen
▪ Varianten vergleich
▪ Design und Optimierung
▪ Parameterstudie
▪ Dauerfestigkeit
Modellierung TeilsystemeAssistenzsystem „3.Arm“ Fa. CBT
Ergebnisse
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▪ Bewegungsbereich Gelenke
• Sternoclavicular
• Shoulder
• Elbow
• Radioulnar
• Radiocarpal
▪ Belastung Gelenke
• Reaktionskräfte
• Reaktionsmomente
Ergebnisse
Modellierung TeilsystemeMenschsystem Upper Extremity
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Ergebnisse
Modellierung TeilsystemeMenschsystem
Ellbogen
Schulter
Input: Winkelvorgabe Output: Momente
Output: Hand Haltekraft
Reaktionskraft
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Ergebnisse
Modellierung GesamtsystemMensch + Assistenzsystem „3.Arm“
+
Mensch
=
3.Arm Mensch + 3.Arm
Massen
• Trägerkonstruktion – 2,3 kg
• PowerTool - 4.3 kg
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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
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▪ Verformungs- und
Spannungsberechnungen
der Konstruktion
bei unterschiedlichen
Bewegungsabläufen
Ergebnisse
Modellierung GesamtsystemFEM Analyse
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Einführung
Zielsetzung
Ergebnisse
Resümee und Ausblick
Agenda
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▪ 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 und Ausblick
Resümee
▪ Einsatz im Unternehmen
▪ Mehrere weitere Forschungsprojekte geplant
▪ Weiterentwicklung der modellbasierten Methodik im Unternehmen
Ausblick
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!