Exoskelette von Hyundai als Gehhilfe ermöglichen umfassendes Mobilitätsspektrum

DongJin Hyun, PhD, Hyundai Motor Company

"Dank LabVIEW und der LabVIEW RIO Architecture konnten wir die Entwicklungs- und Testzeit eines neuen Robotersteueralgorithmus von einem Monat auf nur eine Woche verkürzen. Wir sind jetzt in der Lage, mit Hard- und Software schneller einen Prototyp zu erstellen und zügig an rasch wechselnde Anforderungen anzupassen."

- DongJin Hyun, PhD, Hyundai Motor Company

Die Aufgabe

Es sollte ein System zur Steuerung eines Exoskeletts als Gehhilfe entwickelt werden. Dabei mussten komplexe Steueralgorithmen verarbeitet, Daten von verschiedenen Sensoren dezentral erfasst und simultan mehrere Aktoren in Echtzeit gesteuert werden.

Die Lösung

Mithilfe der LabVIEW-RIO-Plattform, die ein CompactRIO-Embedded-System und einen Echtzeitcontroller mit FPGA-Steuerungsarchitektur (Single-Board RIO) umfasst, wurden Daten von verschiedenen Sensoren, peripheren Steuerungseinheiten, Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsgeräten und Aktoren erfasst; die Software LabVIEW wurde eingesetzt, um zuverlässige Daten durch Echtzeitanalysen und Anwendung verschiedener Roboter-Steuerungsalgorithmen zu erfassen und die Entwicklungszeit erheblich zu reduzieren.

Das Central Advanced Research and Engineering Institute der Hyundai Motor Company entwickelt Mobilitätstechnologien für die Zukunft. Das Forschungszentrum setzt dabei jedoch nicht auf konventionelle Fortbewegungsmittel, sondern erschafft neue Mobilitätshilfen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten für verschiedene Personengruppen, wie z. B. ältere und körperlich eingeschränkte Menschen. Da unsere Gesellschaft zunehmend älter wird, wächst der Bedarf an Systemen, die die Mobilität unterstützen. Darum entwickeln wir mithilfe der Embedded-Controller von NI Roboteranzüge – sogenannte Exoskelette – für ältere Menschen und Patienten mit Rückenmarksverletzungen.


Im Bereich der am Körper tragbaren Robotertechnik stellt die physikalische Verbindung zwischen dem menschlichen Körper und dem Roboter Ingenieure vor verschiedene Herausforderungen, u. a. hinsichtlich des mechanischen Aufbaus sowie des Aufbaus der Steuerungsarchitektur und des Aufbaus der Algorithmen für die Aktoren. Die Maße und das Gewicht der Elektrogeräte müssen äußert gering sein, da ein am Körper getragener Roboter wie ein Anzug angezogen werden muss. Außerdem sollte die gesamte Abtastrate des Roboters für die Steuerung schnell genug sein, um die menschlichen Bewegungen nicht zu beeinträchtigen und um angemessen auf äußere Einwirkungen reagieren zu können. Was die Steueralgorithmen für am Körper tragbare Roboter betrifft, sind noch viele Fragen offen, auch wenn in der Roboterforschung bereits etliche Erfolge verzeichnet werden konnten. Daher legten wir bei der Auswahl eines Haupt-Controllers für unsere Exoskelette das Hauptaugenmerk auf folgende Anforderungen:

  • Schnelle Verarbeitung der Daten, die von verschiedenen Sensortypen gewonnen werden
  • Abmessungen und Gewicht
  • Darstellung von Echtzeitdaten für die Entwicklung von Steueralgorithmen
  • Anbindung an andere intelligente Geräte zur Bereitstellung weiterer nützlicher Funktionen

 

Systemkonfiguration

Die Echtzeitsteuerungs- und FPGA-Hardware sorgt für Zuverlässigkeit und Stabilität, da die Ein- und Ausgänge mit zahlreichen Robotersteuerungsgeräten kompatibel sind. So veränderte sich beispielsweise die Steuerungsarchitektur während der Entwicklung der Exoskelette etliche Male erheblich, da wir Sensoren austauschten oder die Kommunikationsmethode für die Steuerung veränderten. Jedoch waren wir dank der einzigartigen Kombination aus Echtzeit-Controller und FPGA-Funktionen der NI-Produkte in der Lage, diese Änderungen direkt umzusetzen, was zur Verringerung der Entwicklungszeit beitrug.

 

Darüber hinaus half uns das kompakte System on Module (SOM) sbRIO-9651 dabei, das Gewicht des Roboters unter 10 kg zu halten und gleichzeitig die Akkuleistung über eine Basissystemkonfiguration mit geringem Stromverbrauch zu maximieren.

 

Gründe für die Auswahl von LabVIEW

Die Anzahl der Sensoren und Aktoren erhöht sich deutlich, wenn komplexere Aufgaben in der Robotik umgesetzt werden sollen. Dazu erhöht sich auch die Komplexität der Steueralgorithmen exponentiell. Daher wird die simultane Verarbeitung aller Daten von mehreren Sensoren sowie das Übermitteln von Anweisungen an mehrere Aktoren zu einer der wichtigsten Herausforderungen in der Robotik. LabVIEW unterstützt die parallele Darstellung zur intuitiven Signalverarbeitung für die an den Robotern installierten Sensoren sowie den weiteren Entwurf von Steueralgorithmen in den Versuchsstadien. Des Weiteren sind NI-Produkte erweiterbar und kompatibel, sodass wir in Zukunft auch intelligente Benutzeroberflächen einsetzen können.

 

Exoskelette als Gehhilfe

Ursprünglich wurden folgende am Körper tragbare Roboter gebaut:

  • Hip Modular Exoskeleton (modulares Hüft-Exoskelett): modularer Roboter, der als Gehhilfe für Personen dient, die Probleme im Hüftbereich haben.
  • Knee Modular Exoskeleton (modulares Knie-Exoskelett): modularer Roboter, der als Gehhilfe für Personen dient, die Probleme im Kniebereich haben.
  • Life-Caring Exoskeleton (unterstützendes Exoskelett): modularer Roboter, der Bestandteile für Hüfte und Knie vereint, um älteren Menschen oder Personen mit eingeschränkter Funktionsfähigkeit der unteren Körperhälfte als Gehhilfe zu dienen
  • Medical Exoskeleton (Exoskelett für den medizinischen Einsatz): modularer Roboter, der Bestandteile für Hüfte und Knie vereint, um Personen, die ihre untere Körperhälfte nicht bewegen können, als Gehhilfe zu dienen

 

 

Nachdem Hyundai Motors bereits auf der NIWeek 2015 das Life-Caring Exoskeleton als Gehhilfe für ältere Menschen präsentiert hatte, stellte das Unternehmen einen am Körper tragbaren Medizinroboter für Menschen mit Querschnittslähmung vor, der ebenfalls mithilfe von LabVIEW und CompactRIO entwickelt wurde. Bei einer gemeinsamen Präsentation mit der Korea Spinal Cord Injury Association im Januar 2016 konnte sich ein querschnittsgelähmter Patient, der mit diesem Medizinroboter ausgerüstet war, erfolgreich hinsetzen, aufstehen und auf ebenem Untergrund gehen. Der Patient, der an dieser klinischen Studie teilnahm, ist in der unteren Körperhälfte gelähmt (Verletzung des zweiten und dritten Lendenwirbels) und leidet unter Muskellähmung und Sensibilitätsstörungen. Dennoch konnte er nach kurzer Einführung erfolgreich mithilfe des am Körper tragbaren Medizinroboters gehen. Ausgehend von diesem Erfolg und der aktuellen Fortschritte bei der Entwicklung rechnet Hyundai Motors damit, schon 2018 ein leichteres und besseres Produkt mit Zusatzfunktionen herstellen und im Jahr 2020 mit der Massenproduktion beginnen zu können.

 

Mit dem Internet der Dinge verbundene Technologien für zukünftige Entwicklungen nutzen

Wir planen, unsere Forschung um intelligente Geräte zu erweitern. Diese könnten dann eingesetzt werden, um die Systemkonfiguration, etwa den Wechsel zwischen Gehen, Sitzen, Treppensteigen oder normalem Modus, vorzunehmen. Das Einbetten intelligenter Geräte in diese Art von Benutzeroberfläche kann dem Träger bei der Anpassung zusätzlicher Parameter helfen, z. B. Schreiten, Zeit für das Gehen eines Schritts oder Tiefe/Breite zum Sitzen auf einem Stuhl. Zudem sind Daten zum Gangbild oder zum normalen Aktivitätsradius nützlich bei der Behandlung oder Rehabilitation. Rehafachkräfte oder Ärzte können zudem anspruchsvollere Parameter, z. B. forcierte Gehzeit oder die Anpassung der Gelenkbewegung, konfigurieren, um die Roboter für die weitere Behandlung einzusetzen.

 

Wir haben mit der Entwicklung von Exoskelett-Robotern der nächsten Generation begonnen, die auf Wireless-Technologie basieren, sodass eine Ganganalyse möglich ist. Beim Tragen dieses Roboters können die Absicht und der Gehstatus ermittelt werden, indem Daten von einem Bereich zwischen Boden und Fußsohle erfasst werden. Die Technik, mit der diese Daten per Funkübertragung (ZigBee) übermittelt werden, ist bereits vorhanden. Sie kann inzwischen mithilfe der Technologien für das Internet der Dinge ausgeweitet werden. Anwender können also erfasste Informationen drahtlos an einen Roboter senden, sodass dieser die Bewegungen des Gehenden unterstützt. Darüber hinaus kann das Erfassen relevanter Daten den Anwendern helfen, eine persönliche Bandbreite an Aktivitäten und Zuständen anhand des Standorts zu ermitteln. Diese Informationen können in den Roboter integriert werden, wodurch ein umfangreicherer Service möglich wird. Falls der Patient den Roboter zur Rehabilitation trägt, können Ärzte den Zustand von Patient und Roboter überwachen und Trainingsmaßnahmen oder Anpassungen in Echtzeit bereitstellen, um die Effizienz und Effektivität der Behandlung zu verbessern.

 

Informationen zum Autor

DongJin Hyun, PhD
Hyundai Motor Company
37, Cheoldobangmulgwan-ro
Uiwang-si, Gyeonggi-do 437-815
South Korea
Tel: +82 (031) 596 0920
mecjin@hyundai.com

Abb. 1: Systemkonfiguration des Exoskeletts
Abb 2. Hyundai setzte CompactRIO ein, um schnell auf wechselnde Steuerungsanforderungen zu reagieren.
Abb. 3: LabVIEW-Frontpanel für die Robotersteuerung
Abb. 4: LabVIEW-Blockdiagramm für die Robotersteuerung
Abb. 5: Exoskelette von Hyundai für die unteren Extremitäten
Abb. 6: Konzept für modulare Exoskelette und Exoskelette für die unteren Extremitäten
Abb. 7: Life-Caring Exoskeleton am Menschen
Hyundai wearable robotics are designed to offer users a better quality of life.
The NI System on Module (SOM) provides Hyundai a powerful heterogeneous architecture in a small form factor to control their wearable robotics.
Hyundai used CompactRIO to quickly implement and adjust to rapidly changing control requirements.