Exoskelett und Rollstuhl kombinieren

Menschen, die temporär oder permanent gelähmt sind, brauchen meist einen Rollstuhl. Das ist auf ebenen Flächen kein Problem. In vielen Situationen wären Stehen und Gehen jedoch angenehmer, was auch gesundheitliche Vorteile böte. Ein Team der OST ist deshalb dabei, die Vorteile von Exoskeletten mit denen eines Rollstuhls zu kombinieren: schnelle Fortbewegung über ebene Flächen und Gehen auf Augenhöhe.

Willi Meissner 20.02.2023

Mit Rollstühlen hat das Team des ILT Institut für Laborautomation und Mechatronik an der OST Erfahrung. 2016 und 2020 holten sie mit ihrem robotischen Rollstuhl ZED beim Cybathlon der ETH Zürich jeweils die Goldmedaille. Bei dem Wettbewerb, der die Innovation von technischen Systemen für Menschen mit Behinderungen fördern will, hat das ILT bewiesen, dass es sich gegen Entwicklungsteams aus der ganzen Welt durchsetzen kann. Mit dieser Erfahrung als Basis wollen die Forscherinnen und Forscher nun den nächsten Schritt wagen. Seit 2018 arbeiten sie zusammen mit der ETH zusätzlich zum Rollstuhl an einem gemeinsamen Exoskelett. «Nun wollen wir etwas komplett Neues versuchen: Exoskelett und Rollstuhl in einem Hybrid-System vereinen», erklärt Projektleiterin Silvia Rohner. Ziel ist ein System, das fliessend zwischen dem Modus Rollstuhl und dem Modus Exoskelett wechseln kann. So etwas wurde bisher noch nicht versucht.

Gelingt das Projekt, könnte es ein wichtiger Schritt sein, damit Menschen mit Behinderungen in ihrem Alltag keine unbefriedigenden Kompromisse mehr eingehen müssen. «Für viele Betroffene steht die Teilhabe am sozialen Leben stets im Vordergrund und scheitert schnell an vielen Barrieren des täglichen Lebens. Dieses System ist genial in der Überwindung vieler Hindernisse: so wird die Mobilität und der Bewegungsradius erweitert und Betroffene werden ermutigt, Neues zu wagen», erklärt Jens Bansi, Physiotherapie-Dozent an der OST.

Drei Studierende rüsten einen Rollstuhlfahrer mit dem Exoskelett aus. Hinter ihnen sind die Plakate des Projekts auf einem Flipchart zu sehen.
Dank moderner Technik, wie dem Exoskelett, können Menschen, die auf den Rollstuhl angewiesen sind, im Alltag immer häufiger darauf verzichten.

Den Menschen als mechanisches System verstehen

In einem ersten Projektziel fokussiert das Team bis März 2023 wegen der hohen Komplexität auf einen Prototyp für das Exoskelett, der Rollstuhl-Prototyp soll bis Ende 2023 integriert werden. Im Labor des ILT wird schnell klar, wo die Komplexität liegt. An den Wänden hängen biomechanische Diagramme von menschlichen Bewegungen, auf einem Bildschirm ist die aktuelle Konzeptzeichnung des Hybrid-Systems ersichtlich, daneben ist der Programm-Code der Steuerung zu sehen. «Damit das Exoskelett die Nutzer im Alltag gut unterstützen kann, müssen wir zuerst verstehen, mit welchen Herausforderungen sie im Alltag konfrontiert werden», erklärt Ingenieur Raphael Schröder.

Mithilfe von Stöcken und dem Exoskelett kann der Mann, der sonst auf den Rollstuhl angewiesen ist, aufstehen und erste Schritte gehen. Dabei wird er von einer Studentin unterstützt.
Mithilfe des Exoskeletts können Personen mit Mobilitätseinschränkungen ihre ersten Schritte allein gehen.

Menschen bleiben jedoch Menschen, deshalb muss das Entwicklungsteam auch Rücksicht auf die menschlichen Bedürfnisse nehmen. So werden zum Beispiel pneumatische, luftgefüllte Gurte für die sichere Anbindung von Menschen an das Exoskelett verwendet. Durch die weichen Gurte spürt der Mensch also gar nicht, dass er in einem von zehn Elektromotoren angetriebenen robotischen System mit künstlichen Hüft-, Knie- und Fussgelenken herumläuft. «Unsere Testpatienten haben uns gesagt, dass diese Art der Befestigung sehr komfortabel ist», so Schröder. Nur eine von vielen Ideen, die in dieser Form noch nie eingesetzt wurden. Der Faktor Sicherheit darf nicht unterschätzt werden. Denn in der Praxis sollen die Nutzerinnen und Nutzer mit dem Hybrid-System ihren gesamten Alltag selbstständig bewältigen können. Fahren von weiten Strecken auf ebenem Terrain mit dem elektrisch unterstützten Rollstuhl, während mit dem Exoskelett alles Kompliziertere bewältigt wird: schräge Flächen und Treppen, Aufstehen und Absitzen, Umherlaufen an einem Apéro, Tätigkeiten in der Hocke wie das Ausräumen der Spülmaschine und vieles mehr.

Eine Studentin und ein Student kümmern sich um die letzten technischen Details und verbinden Kabel miteinander.
Studierende der OST optimieren die zukunftsträchtige Technologie des Exoskeletts, das mit einem Rollstuhl kombiniert ist.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit, engagierte Sponsoren

Die gesamte Entwicklung, von der virtuellen Planung über die mechanische Konstruktion bis hin zur Steuerungssoftware, findet in einer interdisziplinären Partnerschaft an der OST statt. Für das bestmögliche Ergebnis arbeitet das neunköpfige Team des ILT mit dem Departement Gesundheit, dem Interdisciplinary Center for Artificial Intelligence, der Elektrotechnik sowie dem Departement Informatik zusammen. «Wir wollen ein selbststabilisierendes Exoskelett bauen, das sich auf Knopfdruck in den elektrischen Rollstuhl-Modus und wieder zurück transformieren kann. Das Hybrid-System soll dabei auch noch bequem, sicher und gesundheitlich langfristig unbedenklich für die Patienten sein – dafür braucht es Know-how aus ganz unterschiedlichen Disziplinen und die zukünftigen Benutzer», erklärt Rohner die breite interne Partnerschaft. Finanziell unterstützt wird das Projekt von einer Sponsoren-Partnerschaft bestehend aus der Schweizer Paraplegiker-Stiftung, den Firmen Faulhaber und Maxon sowie weiteren Unternehmen.

Ein Portrait von Raphael Schröder, Senior-Entwicklungsingenieur am ILT Institut für Laborautomation und Mechatronik der OST.

Kontakt

Raphael Schröder
ILT Institut für Laborautomation und Mechatronik
+41 58 257 47 15
raphael.schroeder@ost.ch

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