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16-07-2020 | Leichtbau | Forschungsbeitrag | Article

Projekt LeviAktor

Leviation mittels Aktorik in Orthesen

Authors:
Christian Kallwass, Matthias Haag
3:30 min reading time

Im Rahmen des Forschungsprojekts LeviAktor wurden von der Hochschule Aalen Schultergestell und Armmanschetten hinsichtlich Serienfertigung und Leichtbau optimiert, um die Gesamtkosten und das Gewicht zu reduzieren.

Projektname

Leviation mittels Aktorik in Orthesen (LeviAktor)

Projektpartner

TU Ilmenau (Projektleitung)

FSU Jena

HS Aalen

F. Gottinger GmbH

BM innovations GmbH

LSK Engineering Services GmbH

Laufzeit

15. Juni 2018 -14. Juni 2021

Budget/Fördersumme

2,06 Mio. Euro (davon 72 Prozent Förderanteil durch BMBF)

Förderträger

VDI/VDE Innovation + Technik GmbH

Fördergeldgeber

Bundesministerium für Bildung und Forschung

Weitere Infos

https://www.technik-zum-menschen-bringen.de/projekte/leviaktor


Ziel des Projekts

Das tragbare Exoskelett LeviAktor soll in der Industrie ein breites Anwendungsfeld abdecken können und beispielsweise am Fließband die Ermüdungserscheinungen und damit einhergehende Krankheitsfälle vermeiden. Es dient also in erster Linie zur Unterstützung repetitiver Aufgaben sowie der Krankheitsprävention und nicht der Erhöhung der erbrachten Arbeitsleistung. Die hier beschriebene Forschung bei der Leichtbauoptimierung des Schultergestells und der Manschetten, bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Serienfertigung, verringert das Gesamtgewicht und ermöglicht die Produktion in einem vorgegebenen Kostenrahmen. Die geringen Kosten vergrößern die Abnahmemenge und ermöglichen zusammen mit dem geringen Gewicht ein erweitertes Einsatzgebiet.

Ergebnisse

Schultergestell
Das erste Konzept des Schultergestells wurde nach klassischer Konstruktionsweise und in Kunststoff entwickelt. An den in 3D-Druck hergestellten Teilen konnte die Funktion überprüft werden. In Versuchen wurde nachgewiesen, dass die Bewegungsfreiheit nicht signifikant eingeschränkt wird [7, S. 50 ff].


 

Im Anschluss fand eine Überarbeitung des ersten Konzepts hinsichtlich Leichtbau, Steifigkeit, Maximalspannung und Serientauglichkeit statt. Bei der Optimierung wurde die Zugdreiecksmethode aus der Bionik verwendet. Darüber hinaus wurde das Material unter Zuhilfenahme der Ashbydiagramme und der Methode von Martin Reuter ausgewählt. Es stellte sich heraus, dass Aluminium-Stranggussmaterial den Anforderungen am besten entspricht [1, S. 148 ff], [2, S. 39], [3, S. 77], [4, S. 25 ff].
Durch die Optimierung fand eine Gewichtsreduktion um 38 Prozent, eine Verbesserung der Steifigkeit um 70 Prozent und eine Verminderung der maximal auftretenden Spannung um 40 Prozent statt. Eine Serienfertigung ist mittels Biegen und Fräsen möglich.


 

Bei der Manschette wurde zu Beginn ein erstes Modell aus Kunststoff Entwickelt. Dabei wurde zwischen standardisierter Manschette und individualisiertem Inlett differenziert. Die Manschette wurde in drei Größen gegliedert und so ausgelegt, dass die anliegenden Kräfte aufgenommen und an das Inlett weitergegeben werden. Aus Kostengründen soll dieses Teil in Serie gefertigt werden. 
Das Inlett, welches aus einem weichen Material besteht, liegt direkt am Arm an und wird auf jede Person genau angepasst, um einen hohen Tragekomfort sicherzustellen [5, S. 6 ff], [8, S. 13, S. 22 ff].
Zur Gewichtsreduktion wurde wie beim Schultergestell eine methodische Materialauswahl getroffen. Zudem wurde eine Funktionsintegration vorgenommen und eine Topologieoptimierung durchgeführt. Dabei konnte das Gewicht um 32 Prozent verringert werden.
Für die Serienfertigung konnte nachgewiesen werden, dass Spritzguss den Anforderungen am besten gerecht wird [4, S. 50 ff, S. 63 ff], [6].

Verwertung

Die Ergebnisse werden in der weiteren Forschungstätigkeit verwendet, um darauf aufbauend das gesamte Gestell für das Exoskelett zu realisieren. Dazu sind noch die Anbindungen der Antriebe und Kraftübertragungsmittel an das Gestell auszuarbeiten. Zusätzlich ist die Schnittstelle zwischen Oberkörper und Schultergestell entsprechend orthopädischer Erkenntnisse auszugestalten. Inwiefern an dieser Stelle ebenfalls standardisierte Komponenten zum Einsatz kommen können, ist Bestandteil weiterer Forschung.

Quellen

[1] M. Achenbach, J. Edler, R.J. Hellmig, C. Mattheck, H. Moldenhauer, W. Sachs, I. Tesari: Entwicklung von effizienten, einfach anzuwendenden Konstruktionsprinzipien für technische Bauteile nach dem Vorbild der Natur, Oktober 2010: https://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/bilder/BMBF-Projekte/01RI0638_-_Abschlussbericht.pdf, eingesehen am 24.02.2020
[2] M. Reuter: Methodik der Werkstoffauswahl: Der systematische Weg zum richtigen Material; 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München 2014
[3] M. F. Ashby: Materials Selection in Mechanical Design; 3. Auflage, Butterworth-Heinemann, 2015, zitiert nach: https://www.academia.edu/30576917/Materials_Selection_in_Mechanical_Design_3rd_Edition_-_By_Michael_F._Ashby_, eingesehen am 08.11.2019
[4] C. Kallwass: Muskelgesteuertes Exoskelett zur Kraftunterstützung (LeviAktor), Hochschule Aalen, 2020
[5] C. Kallwass: Muskelgesteuertes Exoskelett zur Kraftunterstützung (LeviAktor), Hochschule Aalen, 2019
[6] Auskunft der Firma Dihse
[7] T. Eckstein: Erforschung einer mechanischen Einheit zur Übertragung extern eingeleiteter Kräfte im Bereich des Schultergelenks, für die Verwendung an Exoskeletten, Hochschule Aalen, 2019
[8] B. Eisenbarth: Entwicklung einer Oberarmmanschette für Exoskelette unter Berücksichtigung der Serientauglichkeit und Individualisierbarkeit, Hochschule Aalen, 2019
 

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