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Orthese Leistungsfähiger Lithium-Akku betreibt motorisierten Teilhandschuh

Quelle: Pressemitteilung

Das Ulmer Start-up HKK Bionics möchte Patienten mit gelähmten oder geschwächten Händen helfen. Dafür hat es die Hand-Orthese Exomotion Hand One, eine Art motorisierten Teilhandschuh mit Unterarmschiene, entwickelt.

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Die Hand-Orthese Exomotion soll helfen, die Greifkraft gelähmter Hände wiederherzustellen.
Die Hand-Orthese Exomotion soll helfen, die Greifkraft gelähmter Hände wiederherzustellen.
(Bild: HKK Bionics)

Alltägliche Handlungen wie Schuhe binden oder mit Messer und Gabel essen, werden für Menschen mit gelähmten Händen zu großen Problemen. Das Start-up HKK Bionics will Patienten mit seiner Orthese Exomotion Hand One unterstützen. Mithilfe von Sensoren registriert die Orthese die Kontraktion der noch funktionsfähigen Muskeln im Unterarm und erkennt die Bewegungsabsicht. Die Exomechanik des Handschuhs unterstützt dann die Greiffunktion der Hand.  

Neben hohen Sicherheitsstandards, die eingehalten werden müssen, stellt die Technik Anforderungen an die Stromversorgung. Schließlich soll das Hilfsmittel nach Vorstellung der beiden Gründer Dominik Hepp und Tobias Knobloch von den Patienten den ganzen Tag über genutzt werden können. Dementsprechend lang muss die Batterielaufzeit sein. Gleichzeitig soll die Stromversorgung möglichst leicht sein.

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Kooperation für die passende Batterielösung

Um die passende Batterielösung für dieses Anforderungsprofil zu finden, kooperierten die Ulmer mit der Jauch Quartz GmbH aus Villingen-Schwenningen. Tatsächlich können nur Lithium-Batterien das Anforderungsprofil der Gründer er
füllen. Dank des geringen Eigengewichts von Lithium sind diese Batterien deutlich leichter als beispielsweise die weit verbreiteten Alkali- oder Nickel-Metallhybrid-Batterien.

Darüber hinaus verfügen Lithium-Batterien zusätzlich über eine höhere Energiedichte und eine höhere Zellspannung. Dementsprechend ist bereits eine überschaubare Anzahl seriell oder parallel geschalteter Batteriezellen ausreichend, um den Strombedarf der Orthese zu decken – auch das spart noch einmal Gewicht.

Mit der Entscheidung für eine Lithium-Batterie steht das Ulmer Start-up jedoch erst am Anfang des Auswahlprozesses. „Es existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Zellchemien mit jeweils spezifischen Eigenschaften, die für den Einsatz in verschiedenen Anwendungsbereichen richtig ausgewählt werden müssen“, sagt Sönke Zacher, der als Projektmanager bei Jauch die Entwicklung der Stromversorgung für die Orthese begleitet hat.

Weder Lithium-Mangandioxid- noch Lithium-Thionylchlorid-Zellen kommen für die Orthese infrage. Denn bei den beiden Zellen handelt es sich um Primärzellen. Diese können nach einmaliger Entladung nicht wieder aufgeladen werden und müssen entsorgt werden.

Die Lösung für HKK Bionics ist ein leistungsstarker Lithium-Ionen-Akku. Lithium-Ionen-Batterien sind den erwähnten Primärzellen in ihrer Leistungsfähigkeit noch einmal überlegen. Das liegt sowohl an der hohen Zellspannung von 3,6 V, als auch an dem geringen Innenwiederstand der Zelle, was – je nach Zelltype – zu extrem hohen Entladeströmen von bis zu 30 A führen kann. Für die Exomotion Hand One wurden schließlich mehrere Lithium-Ionen-Rundzellen zu einem leistungsstarken Akkumulator verschaltet.

Die passende Schutzelektronik ist essenzieller Bestandteil

Beendet ist die Entwicklungsarbeit damit jedoch nicht. „So leistungsstark Lithium-Ionen-Akkus sind, so empfindlich reagieren sie auf Überladung, Tiefentladung oder Kurzschlüsse. Im günstigsten Fall wird davon nur die Lebensdauer der Batterie negativ beeinflusst, im schlimmsten Fall ist es sicherheitsrelevant. Deshalb sind besondere Vorsichts- und Schutzmaßnahmen nötig“, erläutert Zacher.

Dazu dient das so genannte „Batterie-Management-System“ (BMS). Diese Schutzelektronik überwacht den Zustand der einzelnen Batteriezellen und sorgt bei drohender Überschreitung bestimmter Grenzwerte für eine automatische Unterbrechung des Stromkreislaufs. Des Weiteren können praktische Funktionen wie die Akku-Ladestandsanzeige über das BMS gesteuert werden. Die Programmierung der passenden Schutzelektronik ist essenzieller Bestandteil der Entwicklungsarbeit und wird ebenfalls von Jauch übernommen.

Für viele Anwendungen müssen Lithium-Batterien hohe Sicherheitsstandards erfüllen, die in Tests bei unabhängigen Prüflaboren untersucht werden. So war auch im Falle der Orthese Exomotion Hand One der Nachweis des bestandenen Standards IEC62133 Voraussetzung für den Einsatz in dem Medizinprodukt des Ulmer Start-ups.

Weitere Artikel über OEM-Komponenten und Werkstoffe finden Sie in unserem Themenkanal Konstruktion.

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