gesponsertAntriebstechnik Präzision für jeden Schritt

Stehen, Gehen, Gleichgewicht halten: Ein aktives Exoskelett ermöglicht querschnittgelähmten Menschen Bewegungen, die ihr Körper nicht mehr selbst ausführen kann. Dafür braucht es leistungsstarke und präzise Antriebe, die zugleich kompakt und leicht sind. Das Projekt RISE der Technischen Universität Berlin setzt daher auf die Wellgetriebetechnologie von Nabtesco. Die spielfreien Aktuatoren liefern hohe Drehmomente auf engem Bauraum und ermöglichen präzise Bewegungsabläufe mit hoher Dynamik.

RISE steht für „Research and Innovation in Student Exoskeleton Development“. Seit 2022 arbeiten pro Semester bis zu 45 Studierende an der Konstruktion, Simulation, Regelung und Erprobung aktiver Exoskelette für den Unterkörper. Beim CYBATHLON 2024 erreichte RISE als jüngstes Teilnehmerteam den vierten Platz und war zugleich das einzige deutsche Team, das den Wettbewerb erfolgreich absolvierte. Zu diesem Erfolg trug auch die enge Zusammenarbeit mit Nabtesco bei. Die Getriebespezialisten unterstützten das Projekt bei der Auslegung und Integration spielfreier Wellgetriebe-Aktuatoren sowie mit konstruktiver Beratung und technischer Hilfe bei der Fehlerbehebung.

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Enge Partnerschaft von Forschung und Industrie

„Nabtesco als Partner zu gewinnen, war für uns ein großer Glücksfall. Die Zusammenarbeit war von Anfang an sehr eng, und wir konnten stark von der Erfahrung des Unternehmens in der Robotik profitieren. Gemeinsam haben wir die Anforderungen besprochen und eine Lösung entwickelt, die exakt auf unser System zugeschnitten war. Auch bei kurzfristig auftretenden technischen Problemen war Nabtesco sofort zur Stelle“, so Lukas Schneidewind, Teamleiter des RISE-Projekts. Als weiteren Vorteil nennt er die unkomplizierte Integration: „Die Aktuatoren ließen sich direkt in unser System integrieren und funktionierten zuverlässig. Das klingt banal, ist bei einem so komplexen Gesamtsystem aber alles andere als selbstverständlich.“

Spezialist für spielfreie Wellgetriebe

Nabtesco ist einer der international führenden Spezialisten für Präzisionsgetriebe und Weltmarktführer im Bereich Robotergetriebe (Industrierobotik) mit mehr als 40 Jahren Erfahrung. Das Unternehmen bündelt mechanische, elektronische und digitale Kompetenz innerhalb der Nabtesco-Gruppe und bietet damit eine einzigartige Expertise in der Entwicklung von mechatronischen Antriebssystemen. Die Wellgetriebe werden am Standort Ovalo GmbH in Limburg (Lahn) nach Automotive-Standard (IATF-Zertifizierung 16949) produziert und zeichnen sich durch absolute Spielfreiheit, einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Drehmomentdichte sowie eine hohe Überlastsicherheit aus. Zudem sind sie wartungsfrei über die gesamte Lebensdauer und punkten mit einer niedrigen Massenträgheit, einem geringen Gewicht und einem geringen Betriebsgeräusch.

Aktuatorik für Hüfte und Knie

Im ersten Modell RISE Exo One sind sechs Nabtesco-Aktuatoren verbaut, jeweils drei pro Körperseite: zwei an der Hüfte für Flexion und Extension sowie Ab- und Adduktion und einer am Knie für Flexion und Extension. Eine Besonderheit ist die aktiv angetriebene Hüftabduktion, also das seitliche Abspreizen des Beins. Sie trägt zur seitlichen Stabilisierung des Körpers bei.

Je nach Gelenkachse unterscheiden sich die Anforderungen an Drehmoment und Dynamik deutlich. Während die Hüftabduktion vor allem hohe Drehmomente bei vergleichsweise kleinen Bewegungswinkeln benötigt, müssen Hüftflexion und Knieantrieb sowohl im Stand als auch während der Schwungbewegung zuverlässig arbeiten. Dabei wechseln Phasen mit hoher Last und solche mit höheren Bewegungsgeschwindigkeiten. Um dieses Spektrum abzudecken, kommen drei Aktuatortypen in zwei konstruktiven Ausführungen und mit mehreren Untersetzungen zum Einsatz. Ihre Geometrie und Schnittstellen wurden gezielt auf das Exoskelett abgestimmt.

Hohe Leistung auf kleinem Raum

Die Wellgetriebe-Aktuatoren von Nabtesco verbinden hohe Untersetzungen mit einer kompakten, flachen Bauform und einer spielfreien Kraftübertragung. Dank ihrer geringen axialen Abmessungen lassen sie sich nahe an den Hüft- und Kniegelenken integrieren. Die körpernahe Anordnung verringert ungünstige Hebelwirkungen und entlastet damit das Antriebssystem. Zugleich hilft die hohe Leistungsdichte, das Gewicht der Aktuatoren gering zu halten. Das ist bei einem Exoskelett besonders wichtig, denn zusätzliches Gewicht wirkt sich auf das gesamte System aus. Motoren, Getriebe und Batterien müssten größer ausgelegt werden, wodurch das Exoskelett wiederum schwerer und teurer würde. Kompakte Aktuatoren helfen, diesen konstruktiven Teufelskreis zu begrenzen.

Ein weiterer Vorteil ist die Rücktreibbarkeit der Antriebe. Bei einem Systemausfall bleibt der Nutzer dadurch nicht zwangsläufig starr in einer Position fixiert. Im Projekt zeigte sich zugleich, dass die mechanischen Verluste geringer waren als erwartet: Das Exoskelett gab im Fehlerfall schneller nach, als es das ursprüngliche Sicherheitskonzept vorsah. Das Team passte die Absicherung deshalb entsprechend an. „Der hohe Wirkungsgrad hat uns positiv überrascht und die Leistungsfähigkeit der Aktuatoren bestätigt“, erzählt Lukas Schneidewind.

Die nächste Generation

Das RISE-Team entwickelt bereits das Nachfolgesystem. Geplant sind zwölf aktive Freiheitsgrade im Unterkörper: jeweils drei an der Hüfte, einer am Knie und zwei am Sprunggelenk. Künftig soll das Exoskelett neben Beuge- und Streckbewegungen auch Rotationsbewegungen in der Hüfte sowie zwei Bewegungsrichtungen im Sprunggelenk aktiv ausführen können. Ziel ist es, das Gleichgewicht selbstständig zu regeln und perspektivisch ohne Gehstützen zu laufen.

Auch die zusätzlichen Achsen bringen spezifische Anforderungen mit. Die Hüftrotation benötigt wie die Hüftabduktion hohe Drehmomente bei kleinen Bewegungswinkeln und geringen Geschwindigkeiten. Am Sprunggelenk treffen hingegen kleine Winkelbereiche auf kurzzeitig hohe Drehzahlen. „Mit Nabtesco können wir die Anforderungen früh abstimmen und passende Aktuatorkonzepte erarbeiten“, so Lukas Schneidewind.

Digitale Funktionen und kurzbauende Wellgetriebe

Interessant ist dabei u. a. das digitale Wellgetriebe von Nabtesco. Seine Sensorik ist vollständig in das Getriebe integriert und benötigt gegenüber einer Standardausführung keinen zusätzlichen Bauraum. Die direkte Erfassung des Drehmoments liefert belastbarere Messwerte als die bislang genutzte Ableitung über die Motorströme. Auf dieser Grundlage ließen sich Belastungen präziser erfassen und kritische Zustände zuverlässiger erkennen. Auch besonders flach bauende Aktuatoren auf Basis der Shortgetriebe-Technologie kommen als mögliche Lösung infrage. Ihre reduzierte axiale Baulänge schafft zusätzlichen Integrationsspielraum und unterstützt eine leichtere, kompaktere Systemauslegung.

„Die nächste Generation des Exoskeletts soll einen deutlichen Entwicklungsschritt hin zu mehr Bewegungsfreiheit und Eigenständigkeit ermöglichen. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Antriebstechnik, denn sie beeinflusst Leistung, Gewicht und Bauraum maßgeblich. Gemeinsam mit Nabtesco prüfen wir deshalb, wie sich die Aktuatorik für die einzelnen Achsen weiter optimieren und zusätzliche Getriebedaten für Regelung und Sicherheit nutzen lassen“, erklärt Lukas Schneidewind.

Impulse für die Antriebstechnik von morgen

Die Zusammenarbeit ist dabei keine Einbahnstraße: Das RISE-Team profitiert von der Antriebstechnik und der konstruktiven Begleitung durch Nabtesco. Zugleich gewinnt Nabtesco aus dem Projekt praxisnahe Erkenntnisse, die in die Weiterentwicklung kompakter und leistungsfähiger Antriebslösungen einfließen. So trägt die Partnerschaft nicht nur zur technischen Umsetzung des Exoskeletts und zur anwendungsnahen Lehre bei, sondern eröffnet auch neue Perspektiven für weitere Innovationen. „Mich hat an RISE von Anfang an überzeugt, dass unsere Technologie hier ganz konkret dazu beitragen kann, Menschen mehr Mobilität und Teilhabe zu ermöglichen. Gleichzeitig lernen wir aus dem Projekt selbst sehr viel: Die besonderen Anforderungen eines Exoskeletts geben uns wichtige Impulse für künftige Antriebskonzepte“, so Jonas Kinzel, Product Manager Wave Gears bei Nabtesco.