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Motoren für Prothesen: »Ein Schlaraffenland für Ingenieure«

Prothesen stellen eine große technische Herausforderung dar, denn die verschiedenen Anforderungen widersprechen sich: hohes Drehmoment und hohe Geschwindigkeit bei kompakter Bauweise. Und das alles möglichst energiesparend. Entsprechend wichtig ist die Wahl der verbauten Elektromotoren.

Hand in Hand: Bei der Entwicklung neuer Prothesen müssen Design und Elektronik harmonisieren. Bildquelle: © Vincent Systems

Hand in Hand: Bei der Entwicklung neuer Prothesen müssen Design und Elektronik harmonisieren.

Die Herausforderungen beginnen bereits beim Öffnen einer Tür. Die menschliche Hand umschließt den Griff, drückt ihn herunter und bewegt sich flexibel. Eine elektromechanische Handprothese dagegen ist steif. Wenn sich die Türe bewegt, führt das zu großen Krafteinwirkungen auf die einzelnen Finger. Eine gute Prothese muss deshalb aus hochwertigen Materialien und Komponenten bestehen. Davon ist Stefan Schulz – Gründer und CEO des Start-ups Vincent Systems – überzeugt. Schon lange, bevor er 2009 in die Privatwirtschaft ging, beschäftigte er sich mit der Entwicklung neuartiger Handprothesen. Seine erste elektromechanische Prothese baute er 1999, als er noch am Karlsruher Institute of Technology (KIT) tätig war.

Inzwischen ist bereits die dritte Generation der Handprothesen von Vincent Systems erhältlich (Bild 1). »Sie ist leichter und kompakter als andere Modelle und wiegt praktisch gleich viel wie die menschliche Hand«, so Schulz. In ihrer kleinsten Ausführung ist sie sogar für Kinder geeignet – der jüngste Träger ist gerade mal acht Jahre alt. Trotzdem, und das ist das Besondere, handelt es sich um eine bionische Hand. Heißt: Jeder einzelne Finger wird aktiv mit einem DC-Motor angetrieben, der Daumen sogar mit zwei Motoren. Da sich die Motoren direkt im Finger und Daumen befinden, können bei Patienten auch einzelne fehlende Finger ersetzt werden. Und noch etwas macht die Hand von Vincent Systems besonders: Sie ist die erste kommerziell erhältliche Prothese, die ihrem Träger ein Feedback gibt, wie stark er zugreift. Das geschieht mit kurzen Vibra­tionsimpulsen. Würde die Hand einfach gleichmäßig vibrieren, könnte sich der Mensch schnell daran gewöhnen und das Signal nicht mehr wahrnehmen. 

Maxon Motor Bildquelle: © Vincent Systems

Bild 1. Die bionische Handprothese kann jeden Finger einzeln bewegen.

»Das Produkt wird nie perfekt sein«

Die Aufgabe von Stefan Schulz und seinen Kollegen ist nie beendet, und dessen ist er sich bewusst. Als Ingenieur will er eine mechatronische Handprothese entwickeln, die dem menschlichen Vorbild möglichst nahe kommt. »Aber egal, was wir auch für Innovationen konstruieren, es handelt sich im Vergleich zum menschlichen Vorbild im Endeffekt immer um einen Kompromiss. Das Produkt wird nie perfekt sein.« Das entmutigt ihn keineswegs. Im Gegenteil: Es ist ihm Ansporn für seine tägliche Arbeit. Denn im Verlauf der noch jungen Firmengeschichte haben die Ingenieure die Handprothese schon mehrfach komplett überarbeitet – um die Rückmeldungen der Prothesennutzer einzubeziehen sowie aufgrund von neuen technischen Ansätzen.

Die meisten Armprothesen sind heute noch so aufgebaut wie in den Sechzigerjahren. Damals kamen erste Prothesen mit Motoren und mit myoelektrischen Steuerungen auf den Markt. Mittels zweier Elektroden an den noch vorhandenen Muskeln kann der Träger entscheiden, ob sich die Greifer schließen oder öffnen. Angetrieben werden meist nur Daumen und Zeigefinger. Und daran hat sich lange wenig geändert. Auch weil viele Träger mit diesen einfachen Funktionen zufrieden waren. Deshalb sagt Stefan Schulz: »Die Welt der Prothetik lag lange im Schneewittchenschlaf und ist heute ein Schlaraffenland für Ingenieure.« Er schätzt zwar die einfachsten Prothesenmodelle als robustes Hilfsmittel, ist aber überzeugt, dass den bionischen Prothesen die Zukunft gehört. »Die technischen Möglichkeiten sind vorhanden, also sollten wir sie nutzen, um den Kunden einen hohen Grad an Freiheiten zu ermöglichen.«

»Einschränkungen nicht akzeptieren« 

Hugh Herr hat zwar noch beide Hände, doch auch er ist auf Prothesen angewiesen. Der Professor am MIT in Boston ist seit einem Bergsteigerunfall beidseitig unterschenkelamputiert – hat sich davon aber nicht unterkriegen lassen und jahrelang an der perfekten Prothese getüftelt: »Jeder sollte das Recht haben, zu gehen. Wir müssen unsere Einschränkungen nicht akzeptieren.« Als Herr seine Hightech-Prothese schließlich der Öffentlichkeit präsentierte, war die Verblüffung groß. Sein Gangbild war natürlich, kaum von anderen Menschen zu unterscheiden. Er vollführte sogar einen kurzen Sprint an Ort und Stelle. Etwas, das bislang als nicht möglich galt.

Maxon Motor Bildquelle: © Vincent Systems
Maxon Motor Bildquelle: © Ottobock

Bild 2. Die Empower-Prothese ermöglicht sogar das Gehen in schwierigem Terrain.

Genauso wie die Gründer von Vincent Systems haben sich Herr und sein Team an dem Original aus der Natur orientiert. Entsprechend spricht er bei seiner Erfindung von einer Bionic-Prothese – einem perfekten Zusammenspiel von Biologie und Design (Bild 2). Was schön klingt, sieht in der Praxis dann so aus: Ein kräftiger Motor treibt eine Feder an, welche ihre Energie direkt auf den Fuß überträgt. So wird die fehlende Kraft der Wade künstlich zurückgegeben, Schritt für Schritt beim Zehenabstoß. Mit Hilfe von mehreren Sensoren »weiß« die Prothese immer, in welcher Position eines Bewegungsablaufes sie sich gerade befindet, und führt entsprechende Aktionen aus. Und nicht nur das: Je stärker die Prothese belastet wird, desto mehr Energie liefert sie – wie ein natürlicher Fuß. Somit sind selbst kleine Sprints möglich, aber auch das Gehen auf unebenem Grund und auf Rampen.

Inzwischen ist die dritte Generation des Prothesenfußes, der »Empower«, auf dem Markt erhältlich. Mehr als 250 Personen sind damit unterwegs. Rechnet man die Vorgängermodelle hinzu, wurden bereits über 1500 Anwender mit Herrs Erfindung ausgestattet. Sein kleines Unternehmen gehört inzwischen zur Ottobock-Gruppe, er selbst ist aber als Leiter Leiter der biomechatronischen Forschungsgruppe am MIT nach wie vor eng mit dem Ottobock-Entwicklerteam in Boston verbunden und will dabei helfen, die Prothese weiter zu verbessern. »Wir wollen die Einbauhöhe und Fußgröße des Empowers reduzieren, um die Prothese in Zukunft einer breiteren Anwendergruppe anbieten zu können«, sagt Wiebke Gellersen, Referentin für Marketing bei Ottobock.

Verdoppelte Akkulaufzeit

Bereits der Empower ist im Vergleich zu seinem Vorgänger auf ein neues Level gehoben worden. Innerhalb von 16 Monaten hat ein Entwicklerteam den Energie-Impuls verfeinert, damit sich das Gehen noch natürlicher anfühlt. Auch das Design wurde verbessert, der Akku ist nun in den Knöchel integriert. Gleichzeitig konnte die Akkulaufzeit verdoppelt werden. Die aktive Energiezufuhr geschieht über eine Carbonfeder, die wiederum von einem bürstenlosen DC-Motor – dem EC-4pole 30 von Maxon Motor – angetrieben wird.

Maxon Motor Bildquelle: © Vincent Systems

Bild 3. Insgesamt stehen dem Träger der bionischen Handprothese zwölf Griffe zur Verfügung.

Vincent Systems setzt in seinen Händen sogar bis zu sechs bürstenbehaftete DC-Motoren von Maxon Motor ein: so genannte DCX-10-Antriebe in Kombination mit modifizierten Planetengetrieben GP 10 A. »Sie sind kompakt und für unsere Anwendung die Motoren mit der derzeit höchsten Energiedichte«, so Schulz. Zudem müssen die Antriebe bei der Belastung zuverlässig sein, fünf Jahre störungsfrei arbeiten. Obwohl sie jeden Tag auf viele Arten stark beansprucht werden.

Wenn jeder Finger einzeln bewegt werden kann, ergeben sich für den Träger viele Möglichkeiten. Zwölf Griffmuster stehen zur Verfügung, die alle relativ einfach über Muskelkontraktionen abgerufen werden können – mit einem langen Halten des Muskelsignals oder einem Doppelimpuls zum Beispiel (Bild 3). Wichtig ist, dass die Patienten dafür nicht die gesunde Hand zu Hilfe nehmen müssen. Denn: »Eine Handprothese soll den Träger unterstützen und nicht die Aufmerksamkeit der gesunden Hand beanspruchen.« Die meisten Kunden kommen schon nach einer halben Stunde gut mit der Bedienung zurecht. Bis sie die Prothese wirklich intuitiv steuern können, dauert es einige Wochen oder Monate. Dann können sie Fahrrad fahren, Schuhe binden, rohe Eier halten – und natürlich auch Türen öffnen.

Überlastbetrieb? Kein Problem!

Mit dem EC-4pole 30 hat Maxon Motor einen laut eigener Aussage einen starken bürstenlosen DC-Motor für medizinische Handgeräte entwickelt. Der Gleichstrommotor mit zwei Polpaaren liefert ein Nenndrehmoment von 106 mNm bei einer Leistung von 150 W. Er hat einen hermetisch abgedichteten Rotor und übersteht dadurch mehr als 1000 Sterilisationszyklen im Autoklaven. Der EC-4pole 30 ist mit der speziellen eisenlosen Wicklung ausgestattet. Dadurch erhält er unter anderem einen hohen Wirkungsgrad. Drehmoment und Stromstärke verhalten sich zudem linear. Der Antrieb kann überlastet werden. Er ist mit und ohne Hall Sensor erhältlich – optional auch mit einer Hohlwelle von bis zu 4,1 mm Durchmesser. Ingenieure erhalten mit dem EC-4pole 30 laut Hersteller einen Antrieb für chirurgische Handgeräte zum Schleifen, Bohren, Sägen, die unter harten Bedingungen in Operationssälen einwandfrei funktionieren.

 

Zuerst gesehen: Dieser Beitrag stammt aus der Medizin+elektronik Nr. 4 vom 20.07.201x.
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Maxon Motor Bildquelle: © Maxon Motor