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Innovative Entwicklung bringt Hilfe für Gelähmte

Exoskelett
Innovative Entwicklung bringt Hilfe für Gelähmte

Ausgeklügelte technische Vorrichtungen, mit denen querschnittsgelähmte Menschen wieder laufen können: Die sogenannten Exoskelette sind weltweit der Gegenstand wissenschaftlicher Forschung. Auch an der ETH Zürich wird derzeit im Rahmen des Projekts Varileg ein Exoskelett entwickelt, das sich vor allem durch eine mechanisch verstellbare Steifigkeit im Knie auszeichnet. Dünnringlager von Rodriguez tragen zu einer möglichst kompakten und leichten Bauform dieser „Rüstung“ bei.

Die Autorin: Julia Schneiders, Marketing & Sales Precision Bearings, Rodriguez

Ein elfköpfiges, interdisziplinäres Team aus Studenten der ETH Zürich hat es sich im Rahmen eines sogenannten Fokusprojekts zur Aufgabe gemacht, ein elektrisch betriebenes Exoskelett zu entwickeln. Das sogenannte Varileg soll es Paraplegikern ermöglichen, wieder selbstständig aufrecht gehen zu können. „Mit den Fokusprojekten 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. „Das letztjährige Fokusprojekt-Team hatte sich bereits mit Varileg beschäftigt und einen Prototyp realisiert, den wir jetzt weiterentwickeln.“
Mechanisch verstellbare Steifigkeit im Knie
Das Exoskelett Varileg (Variable Impedance Leg) unterscheidet sich von bestehenden Exoskeletten hauptsächlich durch eine mechanisch verstellbare Steifigkeit im Knie, für die u. a. Aktuatoren mit variabler Impedanz sorgen. Steigungen und Treppen stellen somit kein Problem dar. Starke Motoren ermöglichen es dem Nutzer 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-Prototypen wollten wir die Breite des Systems im Bereich des Oberschenkels verringern“, erläutert Oberbeck. „Deshalb begaben wir uns zu Projektbeginn auf die Suche nach einer möglichst platzsparenden Lagerung für die Getriebeeinheit.“ Die Wahl fiel schließlich auf metrische Dünnringlager des Herstellers Kaydon. Ausschlaggebend war einerseits das geringe Gewicht der Lager und andererseits der große Innendurchmesser bei gleichzeitig kleinem Platzbedarf – perfekt für die vorliegende Anwendung.
Derzeit werden im Exoskelett Varileg insgesamt zwei Dünnringlager verbaut – jeweils eines in jedem Kniegelenk. Der Hintergrund: In den Knien des Exoskeletts muss eine Getriebeeinheit inklusive Motor komplett beweglich gelagert sein. Auf diese Einheit wirken verhältnismäßig großen 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 unabdingbar“, 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, gewichtsparende Gestaltung von Lagern und gleichzeitig die Durchführung von Kabeln oder Wellen durch die Bohrung. Typische Einsatzgebiete sind u. a. 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 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 und axialer Lasten in beide Richtungen sowie Momentenlasten einzeln oder in jeder Kombination.“ Nach einer Beratung durch die Uiker Wälzlager AG – dem Schweizer Vertriebspartner von Rodriguez – entschied sich das Entwicklungsteam von Varileg für eine metrische Ausführung der Lager. Sie stellt für Konstrukteure eine echte Hilfe dar: Weil nicht mehr in metrische Maße umgerechnet werden muss, reduziert sich der Aufwand bei den Wälzlagerberechnungen.
Der neue Prototyp von Varileg befindet sich momentan in der Erprobungsphase, konnte jedoch schon einen großen Erfolg für sich verbuchen: Beim Cybathlon 2016 in Zürich erreichte ein querschnittsgelähmter ehemaliger Pilot mit dem Exoskelett den fünften Platz. bec

Kontakt

40315607

info

Rodriguez GmbH, Eschweiler
Nicole Dahlen, Bereichsleiterin Precision Bearings
Tel. +49 2403 780-21
Detaillierte Informationen zu den Dünnringlagern:
http://t1p.de/7ofs
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