maxon Motor Cybathlon Varileg im Einsatz bei einem Parcour

Das Exoskeletts Varileg Enhanced unterstützt Menschen mit Behinderungen. - Bild: maxon

| von Stefan Roschi, maxon Group Sachseln

Kontrolliert der Mensch die Maschine oder die Maschine den Menschen? Diese alte Frage stellt sich unweigerlich, wenn es um Exoskelette geht, elektromechanische Hilfssysteme, die es querschnittsgelähmten Personen ermöglichen, wieder zu gehen.
Für Silvia Rohner, Projektleiterin des Teams Varileg Enhanced, ist die Antwort klar: "Wie gut ein Exoskelett in der Praxis funktioniert, hängt in erster Linie vom Piloten ab."
Dieser muss sich an die robotische Hilfe gewöhnen und lernen, wie er sie am effizientesten einsetzt. "Es gibt Personen, die setzen vor allem auf Kraft, andere eher auf Technik. So oder so braucht es viel Training."
Welche Methode die bessere ist, wird sich im September 2020 zeigen, wenn Piloten aus der ganzen Welt mit unterschiedlichen Exoskelett-Systemen in einem Parcours gegeneinander antreten – am Cybathlon-Wettkampf in der Schweiz.

Der Cybathlon 2020

Am 19. und 20. September findet die zweite Austragung des Cybathlon in Zürich statt. Erneut treten Menschen mit körperlichen Behinderungen in Parcours gegeneinander an – unterstützt von künstlichen Assistenzsystemen. Maxon Motor ist als Presenting Partner ganz vorne mit dabei. Der Antriebsspezialist hat den Cybathlon bereits 2016 als Partner und Sponsor unterstützt. Unter anderem bauten die Lernenden des Unternehmens ein höhenverstellbares Siegerpodium. Ohne zu zögern, ist Maxon auch für die zweite Austragung mit an Bord gegangen. CEO Eugen Elmiger sagt dazu: "Wir glauben daran, dass hervorragende und neugierige Ingenieure die Welt besser machen können. Deshalb hat Maxon den Cybathlon von Beginn an unterstützt." Das Unternehmen ist aber auch bei vielen der teilnehmenden Teams involviert und bietet Support mit vergünstigten Antrieben und Know-how über das eigene Young Engineers Program. Mehr auf www.drive.tech

Exoskelett: Wie der Körper noch ausgleicht

Beim ersten Cybathlon 2016 gab es bereits ein Team Varileg der ETH Zürich, das mit dem jetzigen Team allerdings wenig zu tun hat. Das aktuelle Exoskelett wurde von Grund auf neu entwickelt – als Studierendenprojekt, das im Sommer 2018 begann und im Sommer 2019 endete. Seither arbeitet ein gemischtes Team der ETH Zürich und der Technischen Hochschule Rapperswil daran, das Robotiksystem fertigzustellen. Das Ziel: ein fertiges Wettkampf-Exoskelett für den Cybathlon.

"Es gibt noch viel Potenzial", so Silvia Rohner. Die Mechanik des Exoskeletts sei sehr gut. Der Software muss aber eine zukunftsfähige Architektur unterlegt werden. Und es braucht eine verbesserte Ansteuerung der Aktuatoren. All dies soll umgesetzt werden. Einer von ihnen –Thomas Krieg – ist ein ehemaliger Bobfahrer und mit einem starken, sportlichen Ehrgeiz ausgestattet. Seit den ersten Gehversuchen mit dem Exoskelett hat er große Fortschritte gemacht und sagt: "Ich komme mit der Maschine immer besser zurecht und bin überzeugt, dass wir am Cybathlon die Herausforderungen meistern können." Die größte Schwierigkeit wird er wohl bei der schiefen Ebene haben. Denn seinem Exoskelett fehlt der zusätzliche Freiheitsgrad im Hüftgelenk, womit das ganze Gewicht auf den Gehstöcken und seinen Armen lasten wird.

maxon motor Cybathlon Varileg
Blick ins Innere des Exoskeletts Varileg Enhanced: Pro Seite bewegen zwei maxon EC 90 flat Power-up Motoren die Beine. - Bild: maxon

Zusätzliche Motorenpower

Die Techniker haben sich für zwei Freiheitsgrade beim Varileg Enhanced entschieden – um Gewicht zu sparen und das System möglichst einfach zu halten. Auf beiden Seiten befinden sich zwei bürstenlose Flachmotoren von Maxon, die Hüfte und Knie bewegen. Um das künstliche Exoskelett an den Hüften möglichst schmal zu halten, wurden Motor und Getriebe parallel montiert, verbunden über einen Keilriemen. Beim Kniegelenk wiederum ist das Getriebe direkt am Motor angebracht. Im Gegensatz zum Vorgängermodell ist das Exoskelett Varileg Enhanced mit doppelt so starken Motoren ausgerüstet, die bis zu 600 Watt liefern. Die große Power ist auch nötig, wie Silvia Rohner sagt. "Beim Treppengehen wirken riesige Kräfte, viel Reserve haben wir nicht."

Es gibt viele Möglichkeiten, ein Exoskelett zu bauen. Wie erfolgreich die Arbeit des Team Varileg Enhanced ist, wird sich zeigen. Silvia Rohner freut sich jedenfalls auf den Cybathlon: "Es wird schön zu sehen sein, welche Lösungsansätze die anderen Teams wählen und welche Techniken weltweit existieren." 

Interview: Wie Prothesen fühlen lernen

Bild: maxon

Robert Riener ist der geistige Vater des Cybathlon und auch bei der zweiten Austragung mit dabei. Er verrät, welche neuen Herausforderungen die Teams erwarten und dass Prothesen schon bald fühlen könnten.

 

Der Cybathlon findet jetzt neu an zwei Tagen statt mit den gleichen sechs Disziplinen. Was ändert sich für die Piloten?
Wir mussten alle Disziplinen etwas anpassen beziehungsweise schwieriger machen, weil die Technik in den letzten vier Jahren besser geworden ist. Schliesslich sollen die Rennen spannend bleiben. Wir haben die Cybathlon Series und Experiences genutzt, um neue Aufgaben zu testen und bei Bedarf anzupassen. Ein interessantes neues Element ist zum Beispiel beim Armprothesen-Rennen, dass die Piloten Objekte erfühlen müssen.

 

Fühlen mit einer Handprothese? Ist das nicht etwas weit weg von der Realität?
Überhaupt nicht. Ohne das Spüren können wir motorische Aufgaben nicht erfolgreich durchführen. Jeder Muskel braucht also auch sensorische Information. Es gibt Piloten, die das mit ihren modernen Prothesen bereits erfolgreich getestet haben. Sie nutzen entweder einen Rückkopplungsmechanismus in der Prothese oder besitzen eine gute Stumpfanbindung, über die sie die Kraftübertragung spüren.

 

Wie kann man sich das genau vorstellen?
Die neuesten Entwicklungen erlauben es, dass Kontaktkräfte zwischen Prothesenhand und berührtem Objekt gemessen werden. Diese Information wird dann dem Nutzer unmittelbar über oberflächige, vibrotaktile Stimulatoren oder durch implantierte Nervstimulation mitgeteilt. Einfacher ist die natürliche Kraftübertragung über den Prothesenstumpf. So kann der Nutzer indirekt fühlen, ob das berührte Objekt zum Beispiel hart oder weich ist. Das ist so, als würden Sie ein Objekt mit einem Stock abtasten.

 

Auf den ersten Blick haben sich die Assistenzsysteme seit dem letzten Cybathlon nicht groß verändert. Welche Technologie liegt aus Ihrer Sicht hinter den Erwartungen zurück?
Exoskelette sind noch immer relativ langsam. Sie könnten wohl schneller laufen, wenn die Entwickler das Prinzip der elastischen Energieerhaltung und Ballistik vermehrt nutzen würden – ähnlich dem Wechselspiel zwischen Sehnen, Muskeln und Gelenken beim Menschen.

 

Man kann Sehnen simulieren?
Sehnen verhalten sich wie Gummibänder mit hoher Steifigkeit. Sie können bei jedem Schritt Bewegungsenergie speichern und im richtigen Moment wieder freigeben. Das verringert die Arbeit der Muskeln und kann durch ein raffiniertes Wechselspiel zwischen elastischen Federn und Motoren nachgeahmt werden. Damit könnte man Energie sparen und die Batterielaufzeit deutlich verlängern. Ich glaube, das wird in den nächsten Jahren kommen. Zudem wird es bis dann auch mehr Prothesen geben, die fühlen können. Das Potenzial in der Robotik ist riesig. Wir brauchen einfach noch mehr Zeit und mehr Anstrengung.