ETH Zürich / Rodriguez

Exoskelett mit Dünnringlagern lässt Gelähmte laufen

| Redakteur: Peter Reinhardt

Im vorliegenden Anwendungsfall kommen Vierpunktlager zum Einsatz, die in vielen Anwendungen zwei Lager ersetzen können.
Im vorliegenden Anwendungsfall kommen Vierpunktlager zum Einsatz, die in vielen Anwendungen zwei Lager ersetzen können. (Bild: Rodriguez)

Ausgeklügelte technische Vorrichtungen, mit denen querschnittgelähmte Menschen wieder laufen können: Sogenannte Exoskelette sind weltweit der Gegenstand wissenschaftlicher Forschung – auch an der ETH Zürich.

  • Die natürliche Funktionsweise eines Kniegelenks weitestgehend nachahmen
  • Platzsparende Lagerung für die Getriebeeinheit gesucht – und gefunden
  • Dünnringlager zeichnen sich durch kleinen Querschnitt bei sehr großem Bohrungsdurchmesser aus

An der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) wird derzeit im Rahmen des Projekts Varileg (Variable Impedance Leg) ein Exoskelett entwickelt. Dieses Exoskelett zeichnet sich vor allem durch mechanisch verstellbare Steifigkeit im Knie aus. Dünnringlager von Rodriguez tragen zu einer möglichst kompakten und leichten Bauform dieser „Rüstung“ bei.

Ein elfköpfiges, interdisziplinäres Team aus Studenten der ETH Zürich hat es sich im Rahmen eines sogenannten Fokus-Projekts zur Aufgabe gemacht, ein elektrisch betriebenes Exoskelett zu entwickeln. Das sogenannte Varileg soll Paraplegikern ermöglichen, wieder selbstständig aufrecht gehen zu können. „Mit den Fokus-Projekten ermöglicht die ETH Zürich ihren Studierenden über zwei Semester hinweg die praxisnahe Entwicklung eines funktionierenden Systems – von den ersten Ideen bis hin zum fertigen Produkt“, so Jannick Oberbeck, Projektmanager bei Varileg. Schon das letztjährige Fokus-Projekt-Team hatte sich mit Varileg beschäftigt und einen Prototyp realisiert, der nun weiterentwickelt wird.

Exoskelett mit mechanisch verstellbarer Steifigkeit im Knie

Das Exoskelett Varileg unterscheidet sich von bestehenden Exoskeletten hauptsächlich durch eine mechanisch verstellbare Steifigkeit im Knie, für die unter anderem Aktuatoren mit variabler Impedanz sorgen. Steigungen und Treppen stellen somit kein Problem dar. Starke Motoren ermöglichen den Nutzern zudem aufzustehen und sich hinzusetzen. So lässt sich die natürliche Funktionsweise eines Kniegelenks weitestgehend nachahmen. „Variable Steifigkeit wurde schon erfolgreich in der Robotik implementiert“, erläutert Oberbeck. „Wir sind überzeugt davon, dass diese Technologie auch die Alltagstauglichkeit von Exoskeletten revolutionieren wird.“

Realisiert wird das Konzept der variablen Steifigkeit durch das im Oberschenkel integrierte Maccepa-System (Mechanically Adjustable Compliance and Controllable Equilibrium Position Actuator). Dabei ist eine Platte über einen Motor drehbar mit dem Unterschenkel verbunden und rotiert frei auf dem Oberschenkel. Über den oberen Motor kann eine Feder vorgespannt werden, die mit der Platte fest verbunden ist. Durch Drehen des unteren Motors lässt sich die Winkelposition der Platte relativ zum Unterschenkel verändern, der Unterschenkel bewegt sich. Dabei nimmt die mit der Platte verbundene Feder Kraft auf, bis ein Momentengleichgewicht entsteht.

Platzsparende Lagerung der Getriebeeinheit

„Im Vergleich zur ersten Version des Varileg-Prototyps wollten wir die Breite des Systems im Bereich des Oberschenkels verringern“, erläutert Oberbeck. Deshalb wurde gleich zu Projektbeginn nach einer möglichst platzsparenden Lagerung für die Getriebeeinheit gesucht. Die Wahl fiel schließlich auf metrische Dünnringlager des Herstellers Kaydon. Ausschlaggebend war einerseits das geringe Gewicht der Lager und andererseits der große Innendurchmesser bei zugleich kleinem Platzbedarf – perfekt für die vorliegende Anwendung.

Derzeit werden im Exoskelett Varileg insgesamt zwei Dünnringlager verbaut – je eines pro Kniegelenk. Der Hintergrund: In den Knien des Exoskeletts muss eine Getriebeeinheit inklusive Motor komplett beweglich gelagert sein. Auf diese Einheit wirken verhältnismäßig große Lasten, die durch Lagerungen an beiden Enden aufgefangen werden. Auf der einen Seite ist das Getriebe mit einer Welle verbunden, was eine Lagerung mit einem konventionellen Kugellager zulässt. „Um auf der anderen Seite platz- und gewichtssparend konstruieren zu können, war ein Dünnringlager mit einem großen Innendurchmesser unverzichtbar“, betont Oberbeck. So wurde es möglich, die Getriebeeinheit ohne komplizierte und platzraubende Hilfskonstruktionen zu lagern.

Dünnringlager in vielfältigen Ausführungen

Dünnringlager zeichnen sich durch einen kleinen Querschnitt bei sehr großem Bohrungsdurchmesser aus. Damit erlauben sie die kompakte, gewichtssparende Gestaltung von Lagern und zugleich die Durchführung von Kabeln oder Wellen durch die Bohrung. Typische Einsatzgebiete sind unter anderem die Robotik, die Halbleiterbranche und die Medizintechnik.

Das Angebot von Rodriguez umfasst 250 unterschiedliche Dünnringlager der Reali-Slim-Serie des Herstellers Kaydon in zölligen und metrischen Abmessungen. Dabei sind drei grundsätzlich unterschiedliche Typen verfügbar: Als Typ C werden einreihige Radialkugellager oder auch Rillenkugellager in konventioneller Auslegung zur Aufnahme radialer Lasten bezeichnet. Ihre Aufnahmefähigkeit für axiale Lasten ist jedoch sehr begrenzt.

Typ A sind Schrägkugellager mit definiertem Druckwinkel und einem größeren Kugelsatz für die Aufnahme axialer Lasten in einer Richtung. Sie zeichnen sich durch eine erhöhte Tragfähigkeit und Steifigkeit aus und können zur Aufnahme von Kräften und Momenten in zwei Richtungen paarweise eingesetzt werden.

Für unterschiedliche Belastungen konzipiert

Im vorliegenden Anwendungsfall kommen Vierpunktlager zum Einsatz, die als Typ X bezeichnet werden. Sie können in vielen Anwendungen zwei Lager ersetzen und werden somit überall dort eingesetzt, wo eine paarweise Anordnung von Typ-A-Lagern nicht möglich ist. „Die Lager sind für unterschiedliche Belastungen konzipiert“, erläutert Ulrich Schroth, Geschäftsbereichsleiter Value Added Products bei Rodriguez. „Die einzigartige interne Geometrie erlaubt die Aufnahme radialer Lasten, axialer Lasten in beide Richtungen sowie von Momentenlasten einzeln oder in jeder Kombination.“ Nach einer Beratung durch die Uiker Wälzlager AG – den Schweizer Vertriebspartner von Rodriguez – entschied sich das Entwicklungsteam von Varileg für eine metrische Ausführung der Lager, was die Arbeit der Konstrukteure erleichtert: Weil nicht mehr in metrische Maße umgerechnet werden muss, reduziert sich der Aufwand bei den Wälzlager-Berechnungen.

Der neue Prototyp von Varileg befindet sich aktuell in der Erprobungsphase: Ein querschnittgelähmter ehemaliger Pilot trainiert derzeit mit dem Exoskelett für ein ehrgeiziges Ziel: Im Oktober dieses Jahres möchte er am Cybathlon in Zürich teilnehmen – einem Event, bei dem sich Menschen mit körperlichen Behinderungen in sechs anspruchsvollen Disziplinen messen.

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