Antriebstechnik Die Bewegung kommt aus dem Antriebsstrang

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Wenn das Kraftwerk Muskel fehlt, bleibt oft nur der Einsatz eines Motors. Und der bringt heute mehr als schiere Leistung. Die Bewegungs-Funktionalitäten von aktiven Assistenzsystemen wie Prothesen und Exoskeletten stecken heute im Antriebsstrang.

Wenn Athleten mit Unterkörperlähmung den London Marathon mitlaufen oder es Menschen auch nach einer Handamputation schaffen, ihre Schnürsenkel zu binden, dann steckt in Exoskelett oder Prothese nicht selten eine Antriebstechnologie, die auch Weltraum-Missionen zu Höchstleistungen antreibt. Die Prothese Empower vom Weltmarktführer Ottobock beispielsweise gibt verlorengegangene Bewegungsfreiheiten zurück – mit einem bürstenlosen Motor von Maxon, Ausrüster des Mars Mobils. Der Motor setzt bei jedem Schritt die Energie eines Wadenmuskels frei.

In der myoelektronischen Prothese Bebionic wiederum werden elektrische Signale im Körper verstärkt und zur Aktivierung von fünf kleinen Elektromotoren des Antriebsspezialisten Faulhaber genutzt – einen für jeden Finger, die sich so einzeln ansteuern lassen. Vier der DC Motoren sitzen in der Handfläche, der fünfte im Daumen selbst. Damit kann die Handprothese artikulieren und greifen sowie die Tastatur eines Laptops bedienen. 14 Griffmuster sind insgesamt möglich. Dafür sind in die DC-Motoren Encoder integriert, also Sensoren, die Weg und Winkel messen und so die Position der einzelnen Finger präzise erfassen.

Dies sind nur zwei Beispiele von vielen. Antriebskomponenten ermöglichen all jene aktiven Funktionalitäten und alle Verstellmechanismen, damit eine Prothese situativ passt, erklärt Dr. Andreas Goppelt, Chief Technology Officer bei Ottobock.

Welches Antriebskonzept wann greift, das hängt bei Assistenzsystemen in der Medtech nicht nur vom zu kompensierenden Bewegungsmuster, sondern meist sehr individuell vom Einzelfall ab. „Die Ausführung komplexer Bewegungen wie multiartikulierende Hände, bei denen jeder Finger separat angetrieben wird, benötigen extrem kompakte und hochpräzise Antriebssysteme“, sagt Kevin Moser, Experte für Prothetik bei Faulhaber. Dazu gehören Motor, Getriebe und häufig ein Encoder für die Positionierung. Beispiel Handprothese Bebionic: „Ist der Druck zu stark, zerspringt das Glas in der künstlichen Hand. Ist er zu schwach, fällt es aus der Hand“, erklärt Moser.

Bei Exoskeletten wie etwa der Ironhand wiederum sind Robustheit und die nicht bewegungshemmende Regelung der eingesetzten Antriebe wichtige Themen, ergänzt Mosers Kollege Robert Varonier, Experte für Exoskelette bei Faulhaber.

Aktiv und passiv

Grundsätzlich unterscheiden die Experten bei Exoskeletten und Prothesen zwischen aktiven, also angetriebenen Systemen und passiven Lösungen. Passive Systeme gelten meist als ausreichend für einfache Stützfunktionen wie von Orthesen und Korsetten oder für periodische Bewegungen wie eine Art Pendel in Beinprothesen. „Eine hochwertige rein passive moderne Beinprothese kann den Nutzer sehr erfolgreich durchs Leben bringen“, erklärt Dr. med. Urs Schneider, Bereichsleiter Medizin und Bioproduktionstechnik und Abteilungsleiter Biomechatronische Systeme am Fraunhofer IPA. „Sie wird Ihnen aber Gehgeschwindigkeit und -verhalten mehr diktieren durch ihre integralen definierten Eigenschaften als Sie es sich eventuell vorstellen können.“

Bewegungen wie Treppensteigen, Rampen oder Hügel hochlaufen, Greifen und Armbewegungen benötigen über kurze und kontrollierte Zeiträume ein höheres Maß an potenzieller oder kinetischer Energie. „Dafür braucht es Aktuatoren“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Dr. med. h.c. Robert Riener vom Sensory-Motor Systems Lab an der ETH Zürich. „Manchmal kann die benötigte Energie bzw. Kraft durch noch vorhandene Körperstrukturen erzeugt werden.“ Das ist aber nicht immer der Fall. Dann bleibt nur der Einsatz eines Motors, wenn das Kraftwerk Muskel fehlt.

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Funktionalitäten ermöglichen

Anders als die passiven Systeme erzeugen aktiv angetriebene Systeme Kräfte. Sie erst ermöglichen viele Funktionalitäten und Bewegungsabläufe wie Laufen, Heben oder in die Laptop-Tastatur tippen. Was inzwischen alles machbar ist, zeigt der von Prof. Riener 2016 initiierte Cybathlon – ein internationaler Wettkampf, bei dem sich Menschen vieler Nationen mit körperlichen Behinderungen beim Absolvieren alltagsrelevanter Aufgaben als Piloten technischer Assistenzsysteme messen: Geschicklichkeitsparcours mit Armprothesen, Fahrradrennen mit elektrischer Muskelstimulation, Hindernisparcours mit Beinprothesen und auch mit robotischen Exoskeletten. Neben der sportlich-praxisnahen Ausrichtung gilt der Cybathlon als Plattform, um die Forschung für alltagstaugliche Assistenzsysteme voranzutreiben. Antriebsspezialisten wie Maxon zählen zu den Sponsoren.

Anforderungsprofil an die Komponenten

Welche technologischen Entwicklungen aber erlauben die Ausführung solch höchst präziser Bewegungen wie den spitzen Daumen-Zeigefinger-Griff? „Sehr gute Sensorik, präzise Steuersignale und Algorithmen, die Signale in entsprechende Stellgrößen umwandeln“, sagt Ottobock-CTO Dr. Goppelt. „Auch eine hochfeste Bauweise, Leichtbau, Robustheit und Korrosionsbeständigkeit zahlen auf die Alltagstauglichkeit der Prothese ein.“ Ein Anforderungsprofil an die Antriebskomponenten, das es in sich hat.

Stichwort Bauweise: „Für Exoskelette sollten Antriebe so flach wie möglich sein, damit das Exoskelett möglichst dünn gestaltet werden kann und der Patient nicht in seiner Bewegungsfreiheit eingeschränkt wird“, beschreibt Otto Ineichen, Business Development Engineer Medical bei Maxon im Schweizer Sachseln ein Kernkriterium. „Prothesen-Antriebe wiederum sollten so kompakt wie möglich sein, damit sie dann unter den eingeschränkten Platzverhältnissen eingebaut werden können.“ Im Antriebsstrang sind die Komponenten verbaut, die via Drehmoment & Co. für die Bewegung sorgen. Für die Technik im Antriebsstrang wird es wichtig sein, die Baugrößen noch weiter zu reduzieren, heißt es auch bei Harmonic Drive.

Stichwort Funktionsgewicht: „All den Lösungen ist gemeinsam, dass ein Mensch sie tragen muss“, sagt Dr. med. Urs Schneider, der am Fraunhofer IPA auch speziell zu Antriebstechnik in Exoskeletten forscht. „Wir Menschen wägen eine Art wahrgenommenes Funktionsgewicht ab. Wenn eine motorgestützte technische Lösung von uns als deutlich funktionaler empfunden wird, akzeptieren wir leichter Zusatzgewicht als z. B. bei einem passiven Exoskelett oder einem rein passiven Prothesenknie.“ Empfinden wir den Zusatznutzen nicht sehr schnell, lehnen wir ein Gerät häufig als „zu schwer“ ab, erklärt der Mediziner mit Antriebs-Expertise. Das Funktionsgewicht des Antriebsstrangs ist also alles andere als marginal – und nicht nur das.

„Hinzu kommt, dass sie ästhetisch ins Bild passen und dem Nutzer nicht durch Größe, Aussehen, Geräusche- oder Geruchsentwicklung negativ auffallen“, listet Prof. Riener ein paar der für das subjektive Empfinden der Nutzer so wichtigen Kriterien auf. „Um eine breite Akzeptanz für solche Systeme zu schaffen, muss ihre Bedienung intuitiv, zuverlässig und vor allem sicher sein“, ergänzt Tim Schmidt, Branchenexperte Medizintechnik bei Harmonic Drive.

Wie kann ich als Träger beispielsweise den Greifprozess einer prothetischen Hand steuern, also überhaupt starten? Und wie erhalte ich ein Feedback, ob die Greifkraft ausreicht? Die Steuerung des Exoskeletts mit Blick auf Schrittfolge, variable Schrittwerte, Umstellen aufs Treppensteigen, Hinsetzen? Alles Fragen, die bei Assistenzsystemen technisch zu beantworten sind. Deshalb stehen für Schmidt zunächst die Ansteuerungs- und Feedbackmöglichkeiten bei der Entwicklung im Vordergrund.

Prof. Riener, der beim Cybathlon das geballte Erfahrungswissen der Piloten mit den Experten für die Alltagstauglichkeit zusammenbringt, sieht in der Gestaltung und Bedienung eines zuverlässigen Bedieninterfaces sogar die größte Herausforderung bei der Entwicklung von fremdkraftgesteuerten Prothesen oder Exoskeletten. Wie ein Human Machine Interface, „das den Bewegungswunsch des Bedieners zuverlässig erkennt und auf das Gerät überträgt“. Das kann Dr. Andreas Goppelt vom Hersteller Ottobock nur bestätigen. „Die Verbesserung der Mensch-Maschine-Schnittstelle ist zentral in der Entwicklung. Das bedeutet Steuersignale und Feedback-Signale für intuitive Handhabung der Prothesen, etwa über Mustererkennung, also künstliche Intelligenz.“

Die technologische Nähe zu industriellen Anwendungen wie in der Robotik (Mensch-Maschine-Kollaboration) liegt auf der Hand. Eine Antriebslösung, die überall passt, gibt es dennoch nicht. Das verlangt Antriebsherstellern einiges ab. „Im Besonderen ist es oft notwendig, Herstellern klar zu machen, dass die Medizintechnik relativ kleine Stückzahlen hat“, meint Dr. Michael Friedrich Russold aus der Forschung und Entwicklung bei Ottobock. „Gleichzeitig sind häufig eigene Normen zu erfüllen. Aufgrund des generell beschränkten Platzangebots ist es meist auch erforderlich, Lösungen speziell an den Bauraum anzupassen. Lösungen von der Stange sind selten einsetzbar.“

Antriebstechnologie, die in den Bewegungen steckt

Die Funktionalität selbst, die Griffmuster und Bewegungen ermöglicht, steckt jedoch im Antriebsstrang. „Technisch sehr anspruchsvoll ist kraftunterstütztes Gehen“, sagt Dr. med. Schneider. „Motorlösungen an Knien und Füßen müssen Drehmomente jenseits von 50 Nm Schritt für Schritt leisten, bei entsprechenden Winkelgeschwindigkeiten von 200 Grad pro Sekunden des Nutzers.“ Das macht tragbare, leichte Lösungen knifflig. Nicht nur sind kleine, leichte Akkus mit hoher Leistungsdichte ganz wesentlich. „Bei den Motoren braucht man möglichst hohe Drehmomente (High Torque), verbunden mit niedrigen Drehzahlen“, skizziert der Technikchef Dr. Goppelt vom Medtech-Hersteller Ottobock die Herausforderung. „Elektromotoren liefern klassischerweise aber niedrige Drehmoment verbunden mit hohen Drehzahlen.“

Bei der Auswahl der Komponenten wird es deshalb einen Kompromiss zwischen dem notwendigen Drehmomentbereich und der erforderlichen Dynamik geben müssen, meint Schmidt von Harmonic Drive und erklärt das ganz praktisch fürs Exoskelett: „Zum Aufstehen von einem Stuhl wird zunächst ein hohes Drehmoment bei geringer Drehzahl, beim Gehen hingegen eine höherer Drehzahl bei einem geringen Drehmoment benötigt.“ Mitbewerber Faulhaber, Experte für bürstenlose Antriebe, positioniert bei der Wahl-Frage die Glockenankertechnologie, die ohne Rastmomente zu einer hohen Leistungsdichte bei geringer Trägheit führe. „Das ermöglicht eine präzise Regelbarkeit, hohe Effizienz und geringe Stromaufnahme“, sagt Varonier.

Und gerade weil das Funktionsgewicht des Antriebsstrangs nicht als zu schwer empfunden werden darf, muss die Leistungsdichte fallabhängig besonders günstig sein. „Der Aktor selbst leistet hier derzeit z. B. durch moderne hocheffiziente BLDC-Motoren sehr viel. Sie sind aus aktiven Fingermodulen von Handprothesen und Ventiltrieben in mechatronischen Prothesenknien nicht mehr wegzudenken“, berichtet Dr. med. Schneider, welche Lösungen hier zum Einsatz kommen. In Exoskeletten für die Rehabilitation wiederum werden ihm zufolge häufig Flachmotoren mit speziellen Planetenantrieben als Direktantrieb verwendet. Weltweit wird zudem an Feder-Aktor-Kombinationen für den Komfort und die Antriebseffizienz geforscht, ebenfalls mit BLDC-Motoren, aber auch mit Transversalflussmaschinen, so der Forscher vom Fraunhofer IPA. „Das Niveau heutiger Hersteller ist hoch.“ Und regelungstechnisch profitierten Nutzer physischer Assistenzsysteme für schnelle Reaktionen von einer hohen Datenrate im Sensor-Aktor-System, um z. B. vom Gehen ins Laufen zum Bus umzuschalten, so Schneider.

Welche Trends zeichnen sich ab?

„Mit der Entwicklung verbesserter Batterien und effizienterer Motoren ergeben sich für Exoskelette spannende Neuentwicklungen“, prognostiziert Prof. Riener von der ETH Zürich. Auch in puncto Sensor- und Reglerstrategien tut sich offenbar einiges. „Auch hier gibt es Verbesserungen, sodass aktuelle Exoskelette die Gangfunktion von Menschen mit Bewegungseinschränkungen unterstützen.“ Nicht mehr allzu lange werde es dauern, da werde das auch bei schnellerem Gehen oder Joggen möglich sein – ohne größere zusätzliche Lasten. „Bis jedoch Exoskelette athletische Spitzenleistungen erbringen, wird noch einige Zeit vergehen.“

So funktioniert die Michelangelo-Hand

Eine Prothese als Teil seiner selbst anzuerkennen, fällt sehr viel leichter, wenn natürliche Bewegungsmuster möglich sind und das Design stimmt. Auf beides hat Ottobock bei der Entwicklung der Handprothese Michelangelo Wert gelegt. Muskelsignale aus dem Armstumpf steuern zwei Antriebe: den Hauptantrieb für die Greifbewegung und Griffkraft und einen gesonderten Daumenantrieb. So sind sieben unterschiedliche Handpositionen möglich. Der Daumen sowie Zeige- und Mittelfinger werden dabei aktiv gesteuert, Ringfinger und kleiner Finger bewegen sich passiv mit. Michelangelo ermöglicht damit alltäglich Greifbewegungen, z. B. das seitliche Greifen eines Glases, das Fassen von flachen Dingen wie Papier, das Halten eines Tellers auf der geöffneten Hand oder das Umgreifen eines Stiftes. Unterstützt werden die Bewegungen durch ein mechanisches Handgelenk. Das Gelenk kann gebeugt und gestreckt sowie nach außen und innen gedreht werden, und es kopiert auch das natürliche Verhalten eines entspannten Handgelenks.

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