Hybrider parallel-elastischer Aktor für die Rehabilitation der unteren Extremität
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das übergeordnete Ziel des DFG-NSFC-Projekts HYPACAl war die Entwicklung von Methoden zur Entwicklung und Steuerung hybrider parallel-nachgiebiger Antriebe für die Rehabilitation der unteren Gliedmaßen. Zu diesem Zweck wurde das Projekt in 6 WPs unterteilt, von der Anforderungsanalyse über die mechanische und elektrische Entwicklung der Prototypen, den Reglerentwurf bis hin zur Evaluation. Bei der Anforderungsanalyse führten wir Referenzmessungen an gesunden Probanden im Motion-Capture-Labor durch, um allgemeine und spezifische Anforderungen für alle drei Hauptkomponenten abzuleiten: den Aktor, die parallele elastische Komponente und die Exoskelettstruktur. Die deutsche und die chinesische Forschungsgruppe verfolgten unterschiedliche Ansätze für den PEA: Zugfedern und flache Spiralfedern. Zwei Prototypen eines Exoskeletts mit PEA wurden am MedIT und an der Tsinghua-Universität unabhängig entwickelt. Es wurden mathematische Modelle entwickelt, die die Dynamik der Aktuatoren, des Exoskeletts und die Kinematik des menschlichen Gangs sowie eine neue Methode zur Identifizierung der Modellparameter umfassen. Beide Gruppen verfolgten unterschiedliche Steuerungsansätze von der Aktuatorenebene bis hin zum gesamten Exoskelett beim Sit-to-Stand und beim periodischen Gang. Wir konnten die Wirkung von PEA für Exoskelettanwendungen nachweisen: eine erhebliche Verringerung der Spitzenleistung, der Schrittenergie und des Spitzenstroms. Die Spitzenleistung wurde bei einer Gehgeschwindigkeit von 0,31 m/s um fast 40 % reduziert. Darüber hinaus wurden die Vorteile einer Hybridsteuerung zwischen Exoskelett und FES untersucht und demonstriert. Es wurde ein Echtzeitsystem zur Steuerung des Exoskeletts und des FES-Geräts von Hasomed implementiert. Wir haben Steuerungen für zwei Szenarien entwickelt: Steuerung des Sprunggelenks mit FES während des periodischen Gehens mit dem Exoskelett und hybride Steuerung des Rectus femoris durch Nutzung von FES zur Reduzierung der erforderlichen motorischen Spitzenleistung in der Aufstehbewegung. Die Ergebnisse wurden in acht wissenschaftlichen Fachzeitschriften und auf fünf Konferenzen veröffentlicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Design and Analysis of a Clutched Parallel Elastic Actuator. Actuators, 8(3), 67.
Penzlin, Bernhard; Enes, Fincan Mustafa; Li, Yinbo; Ji, Linhong; Leonhardt, Steffen & Ngo, Chuong
-
Design of the Clutched Variable Parallel Elastic Actuator (CVPEA) for Lower Limb Exoskeletons. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 4436-4439. IEEE.
Li, Yinbo; Li, Zhibin; Penzlin, Bernhard; Tang, Zihan; Liu, Yali; Guan, Xinyu; Ji, Linhong & Leonhardt, Steffen
-
Effects of Ankle Joint Motion on Pelvis-Hip Biomechanics and Muscle Activity Patterns of Healthy Individuals in Knee Immobilization Gait. Journal of Healthcare Engineering, 2019, 1-10.
Guan, Xinyu; Kuai, Shengzheng; Song, Liang; Liu, Weifeng; Liu, Yali; Ji, Linhong & Wang, Rencheng
-
Analysis, Design, and Preliminary Evaluation of a Parallel Elastic Actuator for Power-Efficient Walking Assistance. IEEE Access, 8, 88060-88075.
Li, Yinbo; Guan, Xinyu; Li, Zhibin; Tang, Zihan; Penzlin, Bernhard; Yang, Ze; Leonhardt, Steffen & Ji, Linhong
-
Conceptual design, modeling and control of a rigid parallel serial-elastic actuator. at - Automatisierungstechnik, 68(6), 410-422.
Penzlin, Bernhard; Leipnitz, Anja; Bergmann, Lukas; Li, Yinbo; Ji, Linhong; Leonhardt, Steffen & Ngo, Chuong
-
Design and Preliminary Validation of a Lower Limb Exoskeleton With Compact and Modular Actuation. IEEE Access, 8, 66338-66352.
Li, Yinbo; Guan, Xinyu; Han, Xinyu; Tang, Zihan; Meng, Kuilin; Shi, Zhanpeng; Penzlin, Bernhard; Yang, Yilin; Ren, Junli; Yang, Ze; Li, Zhibin; Leonhardt, Steffen & Ji, Linhong
-
Design and First Operation of an Active Lower Limb Exoskeleton with Parallel Elastic Actuation. Actuators, 10(4), 75.
Penzlin, Bernhard; Bergmann, Lukas; Li, Yinbo; Ji, Linhong; Leonhardt, Steffen & Ngo, Chuong
-
Interactive gait control of an active lower limb exoskeleton using insole FSR for detection of patient’s movement intention. Biomed. Eng, 66(s1), S161-S162
Penzlin, B., Lyu C., Bergmann, L., Benner, C., Li, Y., Ji, L., Lüken, M., Leonhardt, S. & Ngo, C.
-
Dynamic Parameter Identification of a Human-Exoskeleton System With the Motor Torque Data. IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics, 4(1), 206-218.
Li, Yinbo; Guan, Xinyu; Li, Wei; Penzlin, Bernhard; Liu, Kaiqi; Yang, Ze; Liu, Bing; Leonhardt, Steffen & Ji, Linhong
