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Fünf kleine Kugelgewindetriebe geben der Hand Kraft

Antriebstechnik
Handorthese liefert Greifkraft durch Kugelgewindetriebe

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Antriebe für Exoskelette | Um die Hand von Patienten beim Greifen zu unterstützen, liefert die Ironhand zusätzliche Kraft. Sensoren in den Fingern erkennen, wie fest etwas gehalten werden soll. Die Drehbewegungen von Servomotoren setzen fünf sehr kleine Kugelgewindetriebe in Linearbewegungen um.

Wie ein Exoskelett dem Körper verleiht die so genannte Ironhand-Orthese der Hand besondere Kräfte: Die Idee dazu hatten Mitarbeiter des schwedischen Technologie- und Entwicklungsunternehmens Bioservo Technologies AB, das sich auf Unterstützungssysteme für die Extremitäten des Oberkörpers spezialisiert hat. Das Ziel des Bioservo-Teams war es, einen bionischen Handschuh zu entwickeln, der zur Vorbeugung vor Stressverletzungen, zur Rehabilitation und zur Unterstützung von Menschen bei ihren täglichen Aktivitäten zu Hause oder bei der Arbeit beitragen kann.

Inhaltsverzeichnis

1. Handschuh mit Antriebssystem und die Steuerung im Rucksack
2. Kugelgewindetriebe vermitteln die Bewegung
3. Sensoren für die Fingerspitzen
4. Geringer Bauraum war eine der Herausforderungen
5. Soft-Extra-Muscle-Technologie

Handschuh mit Antriebssystem und die Steuerung im Rucksack

Die Ironhand vereint medizinisches Know-how, Roboter- und Computertechnologie und wurde 2019 auf dem Markt eingeführt. Das modulare System, das auf der Soft-Extra-Muscle-Technologie basiert, besteht aus einem Handschuh, der fünf Finger abdeckt, und einem Antriebssystem. Eine tragbare Steuereinheit wird als Rucksack getragen. In der Powerhand integrierte Drucksensoren steuern die im Gerät befindlichen Servomotoren an. Dadurch erhält der Träger einen besonders starken Griff: Innerhalb von Millisekunden kann sie die Griffkraft des Trägers um bis zu 80 Newton erhöhen.

Kugelgewindetriebe vermitteln die Bewegung

Das Herzstück des Bausatzes sind fünf elektrisch angetriebene, kaltgerollte Kugelgewindetriebe. Sie übertragen die Drehbewegung der kleinen Servomotoren mit einem Wirkungsgrad von über 94 Prozent in eine Linearbewegung. Um diese Antriebe zu definieren und herzustellen, nahmen die Schweden Kontakt mit der Eichenberger Gewinde AG aus Burg in der Schweiz auf. Zusammen mit Bioservo entwickelten die Fachleute bei Eichenberger die passende Gewindetrieb-Lösung für die Ironhand.

Die Ironhand funktioniert ähnlich wie die menschliche Hand. Deren Griff wird normalerweise von den Muskeln des Unterarms und der Hand eingeleitet. Diese Muskeln ziehen die Sehnen, die von den fünf Fingern ausgehen.

Sensoren für die Fingerspitzen

Genauso arbeitet die Ironhand: Die druckempfindlichen Sensoren in den Fingerspitzen des Handschuhs erkennen, wann der Benutzer ein Objekt ergreift. Ein Mikrocomputer berechnet die erforderliche Leistung. Servomotoren treiben fünf filigrane Kugelgewindetriebe vom Typ 5 x 2 Millimeter an – deren Gewinde bei einem Durchmesser von 5 mm eine Steigung von 2 Millimeter aufweist. Diese sind durch dünne Drahtsehnen mit den „Fingern“ des Handschuhs verbunden. Die feinen Verbindungen bewegen die Finger, sodass der schlanke Handschuh zusätzliche Kraft erzeugt.

Je höher der Druck auf die Sensoren ist, desto mehr Leistung liefert der Handschuh. Die Ironhand erkennt also, wie der Benutzer einen Gegenstand greift, und passt die Greifbewegung intuitiv und automatisch an.

Geringer Bauraum war eine der Herausforderungen

Häufig ist ein so geringer Bauraum bei großer Belastung eine Herausforderung, erst recht, wenn geräuschlose Bewegungen gefordert sind. Genauso beschrieb Bioservo die Anforderungen an die mechanischen Antriebselemente im Pflichtenheft. Hohe Positioniergenauigkeiten bei kleinsten Hüben und hohe Dynamik im Dauereinsatz waren zu bewältigen, Sicherheit und Zuverlässigkeit die Vorgaben. Wartungsintervalle, Lebensdauer und nicht zuletzt die Kosten spielten eine wichtige Rolle.

Um dem gerecht zu werden, passt die Eichenberger Gewinde AG das Design entsprechend an oder nutzt spezielle Herstellungsverfahren. In der Ironhand werden kaltverformte, induktiv gehärtete Kugelgewindetriebe mit drei in der Mutter eingebauten ausgeklügelten Einzelgangrückführungen eingesetzt, die klein, schnell und präzise sind. Zusätzlich verstärkt das Steigungsverhältnis der Spindel die Effizienz der Bewegung. (op)

www.gewinde.ch


Soft-Extra-Muscle-Technologie

Das patentierte Soft-Extra-Muscle-Technologiekonzept (SEM) sammelt Daten und analysiert diese, um griffintensive Anwendungsfälle mit einem hohen ergonomischen Risiko zu bewerten und zu identifizieren. Die Intent-Detection-Logik aktiviert die Unterstützung durch die Orthese nur dann, wenn der Träger die Bewegung mit einem natürlichen und intuitiven Krafteinsatz einleitet. Erreicht wird dies durch Sensoren, welche die Aktion des Benutzers erfassen. Die Motoren werden automatisch entsprechend angesteuert und verstärken den Krafteinsatz des Trägers. Die Antriebe reagieren sofort und auf natürliche Weise, um die beabsichtigte Bewegung zu erleichtern.

Die Ironhand berechnet also, wie der Benutzer einen Gegenstand greift. Je kräftiger die Greifbewegung ist, desto mehr Leistung wird bereitgestellt.


Kontakt zum Hersteller der Gewindetriebe:

Eichenberger Gewinde AG
Grenzstrasse 30
5736 Burg / Schweiz
Tel.: +41(62)7651010
Website: www.gewinde.ch

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