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BLDC-Motoren Wie Motoren Exoskelette leistungsfähig machen

| Redakteur: Ute Drescher

Ein Leben ohne Rollstuhl war für Silke Pan lange Zeit undenkbar. Doch dann belegte sie 2017 im Cybathlon, einem Wettkampf für Menschen mit Assistenzsystemen, den ersten Platz. Möglich hat das ein Exoskelett gemacht.

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Nach einem Unfall war Silke Pan, ehemalige Turnerin und Akrobatin, gelähmt. Dank eines Laufroboters kann sie wieder laufen, stehen und Treppen steigen.
Nach einem Unfall war Silke Pan, ehemalige Turnerin und Akrobatin, gelähmt. Dank eines Laufroboters kann sie wieder laufen, stehen und Treppen steigen.
(Bild: Sonceboz)

Seit einigen Jahren engagiert sich Sonceboz für Forschungs- und Entwicklungsprojekte in der Robotik, dem Unternehmensleitsatz "From Mind to Motion" folgend. So wurden Elektromotoren und Leistungselektronik im Leistungsbereich von 1 bis 20 kW von CPM (Compact Power Motion), einer Tochtergesllschaft der Sonceboz Gruppe mit Sitz in München entwickelt.

In einem zweiten Schritt beteiligte sich das Open Innovation Center von Sonceboz, die „I3@EPFL“, an einem Medizinroboterprojekt der Universität Genf. Ziel war die Entwicklung eines völlig neuen Exoskeletts. Das mechanische Konzept und der Steuerungsalgorithmus wurden vom LSRO realisiert, die mechatronische Basis entwickelte MMT (Moving Magnet Technologies), eine Gesellschaft der Sonceboz-Group. MMT verfügt über ein eigenes Advanced Research Team unter der Leitung von Christophe Espanet, welches sich mit der Forschung und Entwicklung neuer technologischer Lösungen mit Fokus auf die Herausforderungen der nächsten zehn Jahre befasst. Ihm untersteht auch das I3@EPFL mit seinem Verantwortlichen Olivier Pajot.

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Zwei Generationen Exoskelette entwickelt

Seit 2016 wurden zwei Generationen des Exoskeletts entwickelt. Die erste Generation verwendete eine Mechatronik, die auf einem klassischen länglichen bürstenlosen Sonceboz-Motor basiert. Diese sehr kompakten Sechsspulen-BLDC-Motoren bieten eine ausgezeichnete Drehmomentdichte und sind für die dynamische Motorisierung eines breiten Anwendungsbereichs konzipiert, zum Beispiel für die variable Ventilsteuerung in Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren.

Zusammen mit einem Getriebe bildeten sie die Antriebsbasis der Prototypen für das Exoskelett. Diese Generation wurde nur wenige Monate lang getestet, bevor sie unter dem Namen Twiice am Cybathlon 2016 in Zürich von der querschnittgelähmten Silke Pan erstmals vorgestellt wurde. Der Cybathlon ist eine einzigartige Meisterschaft, bei der Menschen mit körperlichen Behinderungen gegeneinander antreten, um alltägliche Aufgaben mit Hilfe modernster technischer Assistenzsysteme zu bewältigen. Es gibt verschiedene Wettbewerbe, darunter einen für Exoskelette. Hierbei besteht die Herausforderung, einen Rundkurs aus alltäglichen Hindernissen wie das Umgehen von Tischen, Treppensteigen und vielem mehr zu bewältigen. Silke Pan erreichte auf Anhieb den vierten Platz beim Cybathlon. Seither testet und trainiert die Athletin mit dem Prototypen und gibt ihre Erfahrungen und ihr Wissen an die Entwickler weiter. Der erste Platz beim selben Zürcher Wettbewerb folgte im Jahr 2017.

Die ersten Motoren waren noch zu groß

Parallel wurde weiter geforscht. Insbesondere wurde festgestellt, dass der erste Antrieb zu groß war und den Benutzer stören könnte. Außerdem war der Wirkungsgrad des gewählten Getriebes bei niedrigem Drehmomenten recht gering, was die Autonomie des Exoskeletts beeinträchtigte. Trotz des hohen verfügbaren Maximal-Drehoments, um beispielsweise Treppen steigen zu können, ist das tatsächlich benötigte Drehmoment in den meisten Fällen relativ niedrig.

Trochoid-Getriebe liefert hohe Drehmomentdichte

Basierend auf diesen Erfahrungen wurde 2018 die zweite Generation geboren. Sie verwendet einen sehr kompakten BLDC-Motor mit einem Trochoid-Getriebe, das von MMT speziell für das Exoskelett Twiice berechnet und entwickelt wurde. Die Konstruktion führte Lionel Billet, leitender F&E-Ingenieur bei MMT, durch. Das Getriebe bietet einen bemerkenswert hohen Untersetzungsfaktor für einen verbesserten Wirkungsgrad und erreicht damit eine herausragend hohe Drehmomentdichte. Faktisch weist die neue Generation von Sonceboz BLDC-Motoren für Roboteranwendungen mit einstufigem Getriebe mit hoher Übersetzung und exakter Positionierung eine sehr hohe Drehmomentdichte von über 300 Nm/dm3 auf, d.h. ein maximales Drehmoment von 100 Nm bei einem kompakten Bauraum von 50 mm Länge und < 100 mm Durchmesser.

Die Aktuatoren dürfen den Anwender des Exoskeletts nicht beeinträchtigen

Dies war auch eine der größten Herausforderungen, vor denen die Entwickler standen: Motor, Getriebe, Leistungselektronik und Sensor so zu integrieren, dass eine kompakte Einheit entsteht und dennoch alle Leistungsmerkmale enthalten sind. Nur so lassen sich die Aktuatoren einfach in ein Exoskelett einbauen, ohne den Anwender mit zusätzlichem Gewicht oder großen Abmessungen zu beeinträchtigen. Dies ist besonders wichtig, weil das Exoskelett so gestaltet sein muss, dass jeder, vom Leicht- bis zum Schwergewicht, diese Orthese selbst an- und ablegen kann. Jeder Aktuator – vier davon sind im Gehroboter implementiert – wiegt nur 1,5 kg. Das Gesamtgewicht des aktuellen Twiice, der für Silke Pan entwickelt wurde, beträgt daher nur etwa 16 kg, wobei neben den Aktuatoren auch die Batterien und die nicht aktiven mechanischen Teile enthalten sind. Vergleicht man die beiden Generationen des Twiice Exoskeletts, ist erkennbar, dass die Antriebe in der zweiten Version tatsächlich kompakter sind, obwohl das Drehmoment gleichzeitig fast verdoppelt wurde.

Das hohe Drehmoment des Aktuators dient unter anderem dazu, dass selbst schwere Menschen den Laufroboter nutzen können. Zudem kann der Stromverbrauch auf ein Minimum reduziert werden, was zu einer Verbesserung der Autonomie führt. Vergleicht man die Kupferverluste der beiden Generationen, wird die Steigerung der Effizienz deutlich: Bei der neuen Generation sind die Kupferverluste, die mit einer 100 kg schweren behinderten Person erzeugt wurden, mit den generierten Verlusten einer 60 kg schweren Person bei der alten Generation vergleichbar.

Die Sonceboz-Gruppe konnte mit ihrem großen mechatronischen Know-how die elektrischen Antriebe des Exoskeletts effizienter, leichter, ergonomischer und benutzerfreundlicher realisieren. Die bürstenlose Basistechnologie der Antriebe überzeugt durch hohe Leistung, Zuverlässigkeit, Laufruhe und Kompaktheit sowie einfache Integration - und nicht zuletzt durch das geringe Gewicht. Die Integration eines Positionssensors ermöglicht die zuverlässige Messung der Winkelposition der Welle, die eine Schlüsselinformation für die Steuerung der Exoskelett-Dynamik darstellt und somit auch die Sicherheit der behinderten Menschen gewährleistet, welche das Exoskelett verwenden.

Zukünftige Projekte und Visionen

Zusammen mit Silke Pan und der EPFL arbeitet die Sonceboz-Gruppe einschließlich des Open Innovation Centers i3@EPFL und der Tochtergesellschaft MMT daran, das Exoskelett mit einer neuen Generation von Aktuatoren noch dynamischer und leichter zu gestalten. Damit sollen sich die Anwender mit größtmöglicher Unabhängigkeit bewegen können. "Wir setzen unsere Forschung in verschiedenen Bereichen fort, um die Dynamik des Gehens noch genauer zu analysieren und das Exoskelett für den Alltagsgebrauch zu optimieren", betont Christophe Espanet. Dazu gehören die weitere Verbesserung der Drehmomentdichte zur Gewichtsreduzierung und die Integration von zusätzlicher Elektronik, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen und mehr Informationen über die Positionen einzelner Gelenke wie Knie und Hüfte zu erhalten. Die EPFL liefert hier wichtige Einblicke in die Steuerung des Systems, Silke Pan testet das Exoskelett mit großem Engagement und die Sonceboz-Gruppe bringt ihr mechatronisches Know-how ein.

Wissen für andere Branchen nutzen

Ein Beispiel für die Zukunft sind kollaborierende Roboter, um die menschliche Kraft in der Industrie zu unterstützen oder zu ersetzen. Diese Koboter, die den Menschen in der Produktion Hilfe leisten, sind mit der gleichen Technologie denkbar. Die gemeinsamen Nenner sind die Interaktion zwischen Mensch und Exoskelett sowie die Mechatronik, welche eine hohe Drehmomentdichte und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen soll.

Weitere Anwendungsbereiche – insbesondere für die Antriebe – ergeben sich aus Synergieüberschneidungen wie sie Sonceboz für seine verschiedenen Zielmärkte wie Automobilindustrie, Medizintechnik und Industrieanwendungen nutzt. "Wir können auch Co-Designs des Antriebs im Automobil- und Nutzfahrzeugbereich für Anwendungen nutzen, die eine hohe Drehmomentdichte erfordern. So können wir beispielsweise Anwendungen mit E-Nockenwellen oder variablen Verdichtungsverhältnissen nennen", erklärt Lionel Billet, leitender F&E-Ingenieur für Positioniermotoren bei MMT. Hier sind die Erfahrungen aus dem Exoskelett-Projekt besonders interessant in Bezug auf die Motortopologie und die Integration des Getriebes, um einen Aktuator mit hoher Drehmomentdichte zu entwickeln. Christophe Espanet betont: "Wir erwarten mit Spannung den nächsten Cybathlon, der am 2. und 3. Mai 2020 an der ETH Zürich stattfindet". [ud]

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