ORTHESE – Adaptive Kniegelenk-Orthese

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines mechatronischen Assistenzsystems (Exoskelett) zur Mobilitätsunterstützung älterer Menschen. Wie das E-Bike, das im Alter zum Fahrradfahren motiviert und unterstützt, soll die aktive Kniegelenk-Orthese beim Aufstehen und Treppensteigen unterstützen. Damit soll das selbständige Leben des Älteren im häuslichen Umfeld und darüber hinaus verlängert ermöglicht werden und diese Orthese im Idealfall sogar als Rehabilitationsgerät dienen, da sie Anreize zu mehr Mobilität und damit zum Trainieren der altersbedingt geschwächten Muskulatur bietet.

Adaptive Kniegelenk-Orthese
Der adaptive Charakter unseres Ansatzes spiegelt sich in drei Aspekten wider:
1. Die Orthese adaptiert sich an die aktuelle Bewegungssituation.
Eine automatisierte Situationserkennung erkennt anhand der verfügbaren Sensordaten die Bewegungssituation des Menschen und stellt einen passenden Unterstützungsfaktor ein.
2. Das Unterstützungsmoment der Orthese adaptiert sich an das biomechanische
Kniemoment. Das biomechanische Kniemoment wird modellbasiert geschätzt, sodass eine prozentuale Überlagerung des externen Unterstützungsmoments zum biomechanischen Kniemoment realisiert werden kann. Dieser momentenbasierte Ansatz resultiert in einer transparenten Unterstützung des Nutzers, wie man es aus der Servolenkung im KFZ oder auch Pedelecs kennt.
3. Die Orthese kann an verschiedene Nutzer adaptiert werden.
Die Orthesenschalen und Verbindungsstücke sind in Länge und Umfang einstellbar, sodass die Orthese an die individuelle Beinform des Nutzers angepasst werden kann.

       

Bildquelle: Markus Hessinger

Partner

  • Fachgebiet RTM, TU Darmstadt (Prof. Konigorski) – Regelungstechnik
  • Fachgebiet MuST, TU Darmstadt (Prof. Werthschützky) – Messtechnik und Sensorik
  • Fachgebiet M+EMS, TU Darmstadt (Prof. Schlaak) – Antriebstechnik und Kniegelenkkinematiken
  • Bereich Biomechanik und Bewegungsanalyse, Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Dr. rer. nat. Sebastian Wolf – Spezifikationsdefinition und Untersuchungen im Ganganalyselabor

Förderung

Wir bedanken uns für die Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (WE2308/12, KO1876/12, SCHL532/5 und WO1624/2)

Publikationen

  • Hielscher, J.; Horn, A.; Grün, M.; Hessinger, M.; Schindler, M.;Bauer, F.; Wertschützky, R.: Situation Detection in a Movement-Assistive Device, In: Sensor 2017, Nürnberg 2017
  • Hielscher, J.; Meiss, T.; Block, J.; Wertschützky, R.: Estimating Muscular Activity of the Quadriceps Femoris Muscles by Measuring the Change in Shape, In; Sensors 2013, pp. 638–641, Nürnberg 2013
  • Grün, M.; Müller, R.; Konigorski, U.: Model based control of series elastic actuators. EMBS Intern. In: Conf. on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob), 538-543, Roma 2012
  • Grün, M.; Konigorski, U.: Observer Based Method for Joint Torque Estimation in Active Orthoses. In: 7th Vienna Conf. on Mathematical modelling, MATHMOD 2012, Vienna 2012
  • Müller, R.; Pott, P.P.; Schlaak, H.F.: Seriell-Elastische Aktoren als Antrieb für aktive Orthesen. In: Automatisierungstechnische Verfahren für die Medizin (AUTOMED),  2012
  • Block, J.; Vanoncini, M.; Heitzmann, D.; Alimusaj, M.; Müller, R.; Pott, P.; Schlaak, H.F.; Meiss, T.; Werthschützky, R.; Grün, M.; Konigorski, U.; Wolf, S.: Entwicklung einer aktiven Orthese mit Leistungsabgabe - Erhebung von Referenzdaten, Aufbau und Test der Prototypen am Probanden. Proceedings of the ORTHOPÄDIE + REHATECHNIK,  2012.
  • Block, J.: 3D analysis of Sit-To-Stand: Reference data for designing a motorized orthosis. DGfB, Murnau 2011
  • Vanoncini, M.: 3D analysis of the Sit-To-Stand movement to guide the design of motorized orthosis. ISB, Brüssel 2011
  • Vanoncini, M.: Relationship between joint moment and angle at seat-off during STS. ESMAC, Vienna 2011
  • Block, J.: Simulating muscle weakness by increasing bodyweight: The effect of extra load on the Sit-To-Stand Movement. ESMAC, Vienna 2011

Veröffentlichungen als Vortrag mit Abstract

  • Hielscher, J.; Müller, R.; Meiss, T.; Horn, A.; Block, J.; van Drongelen, S.; Konigorski, U.; Schlaak, H.F.; Pott, P.P.; Werthschützky, R.: Powered Active Knee-Ankle-Foot-Orthosis, Tagungsband Biomedizinische Technik, Lübeck 2015
  • Müller, R; Hielscher, J.; van Drongelen, S.; Rettig, O.; Wolf, S.; Meiss, T.; Werthschützky R.; Pott, P.P.; Schlaak, H.F.: Entwicklung einer verbesserten Kniekinematik zur Reduktion von Scherkräften in passiver Kniegelenksorthese, in 8. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomechanik (DGfB), 2013
  • Wolf, S.; Grün, M.; Müller, R.: Power support by an active knee orthosis during sit to stand. Tagungsband Biomedizinische Technik, Jena 2012
  • Grün, M.; Meiss, T.; Müller, R.; Block, J.; Heitzmann, D.; Drongelen, S.v.; Vanoncini, M.; Wolf, S.; Pott, P.; Schlaak, H.F.; Werthschützky, R.; Konigorski, U.: Active Knee Orthosis for Supporting the Elderly. Tagungsband Biomedizinische Technik, Jena 2012
  • Müller, R.; Pott, P.; Schlaak, H.F.: Active Knee Orthoses – Technical Considerations and Applications. Tagungsband Biomedizinische Technik, Jena 2012
  • Minamisava, C.; Hielscher, J.; Meiss, T.; Werthschützky, R.: Sensor System for an active Orthosis supporting the Elderly. Tagungsband Biomedizinische Technik, Jena 2012
  • Hielscher, J.; Meiss, T.; Werthschützky, R.: Novel approach for estimating muscular activity using mechanical effects of the human thigh as an alternative to EMG. Tagungsband Biomedizinische Technik, Jena 2012

Beteiligte Wissenschaftliche Mitarbeiter

Dipl.-Ing. Jürgen Hielscher (Ansprechpartner)

Dipl.-Ing. (FH) Roman Müller

Johannes Bilz, M.Sc.

Kontakt

Technische Universität Darmstadt

Institut für Elektromechanische Konstruktionen

Mikrotechnik

Prof. Dr.-Ing. Helmut F. Schlaak

S3/06 128
Merckstraße 25
64283 Darmstadt

+49 6151 16-23851
+49 6151 16-23852

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