Exoskelette von Hyundai als Gehhilfe ermöglichen umfassendes

Exoskelette von Hyundai als Gehhilfe ermöglichen umfassendes
Mobilitätsspektrum
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Fragen?
"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 (https://www.hyundaiusa.com/)
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NI-Produktübersicht
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Seit mehr als 20 Jahren gehört National
Instruments zu den Vorreitern im
Bereich der Mess- und
Automatisierungstechnik. Wir haben
hier unsere Hard- und Software
kompakt für Sie zusammengestellt.
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http://www.ni.com/company/standardize.htm
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http://germany.ni.com/produkteflyer)
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Die
Aufgabe:
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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:
Dank Single-Board RIO, das neben einem Echtzeit-Controller auch einen FPGA umfasst, konnten Daten von verschiedenen
Sensoren und Peripheriegeräten erfasst sowie Befehle in Echtzeit an die Aktoren weitergegeben werden. Mithilfe der
Entwicklungsumgebung LabVIEW ließ sich die Software, welche Algorithmen für die Datenerfassung und Steuerung umfasst,
deutlich schneller umsetzen.
Vollständige Kundenlösung lesen
Autor(en):
DongJin Hyun, PhD - Hyundai Motor Company (https://www.hyundaiusa.com/)
Das Central Advanced Research and Engineering Institute der Hyundai Motor Company entwickelt Mobilitätstechnologien für
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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- (http://www.ni.com/labview/realtime/d)und FPGA-Hardware (http://www.ni.com/labview/fpga/d) 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 (
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/de/nid/212788) dabei, das Gewicht des Roboters unter 10 kg zu halten und gleichzeitig
die Akkuleistung über eine Basissystemkonfiguration mit geringem Stromverbrauch zu maximieren.
Abb. 1: Systemkonfiguration des Exoskeletts
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Abb. 2: Hyundai setzte CompactRIO ein, um schnell auf wechselnde Steuerungsanforderungen zu reagieren.
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 (http://www.ni.com/labview/d) 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.
Abb. 3: Die von der CompactRIO-Plattform gebotene Echtzeitverarbeitung erlaubt es Hyundai, eine der größten
Herausforderungen anzugehen: das Erkennen der Absicht des Nutzers.
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Abb. 4: LabVIEW-Frontpanel für die Robotersteuerung
Abb. 5: LabVIEW-Blockdiagramm für die Robotersteuerung
Exoskelette als Gehhilfe
Ursprünglich wurden folgende am Körper tragbare Roboter gebaut:
1. Hip Modular Exoskeleton (modulares Hüft-Exoskelett): modularer Roboter, der als Gehhilfe für Personen dient, die
Probleme im Hüftbereich haben.
2. Knee Modular Exoskeleton (modulares Knie-Exoskelett): modularer Roboter, der als Gehhilfe für Personen dient, die
Probleme im Kniebereich haben.
3. 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
4. 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
Abb. 6: Exoskelette von Hyundai für die unteren Extremitäten
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Abb. 7: Konzept für modulare Exoskelette und Exoskelette für die unteren Extremitäten
Abb. 8: Life-Caring Exoskeleton am Menschen
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
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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.
Autor:
DongJin Hyun, PhD
Hyundai Motor Company (https://www.hyundaiusa.com/)
37, Cheoldobangmulgwan-ro
Uiwang-si, Gyeonggi-do 437-815
Südkorea
Tel: +82 (031) 596 0920
[email protected] (mailto:[email protected])
Life-Caring Exoskeleton am Menschen
Tragbare Robotertechnik von Hyundai sorgt für mehr Lebensqualität.
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Das NI System on Module (SOM) stellt Hyundai eine leistungsstarke heterogene Architektur in kleinem Formfaktor bereit, mit der das
Unternehme seine tragbare Robotertechnik steuern kann.
Die von der CompactRIO-Plattform gebotene Echtzeitverarbeitung erlaubt es Hyundai, eine der größten Herausforderungen anzugehen:
das Erkennen der Absicht des Nutzers.
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Hyundai setzte CompactRIO ein, um schnell auf wechselnde Steuerungsanforderungen zu reagieren.
Der komplette Roboteranzug
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Das System der nächsten Generation
Rechtliche Hinweise
Diese Kundenlösung („Kundenlösung“) wurde von einem Kunden von National Instruments („NI“) entwickelt. DIESE KUNDENLÖSUNG
WIRD IM „IST-ZUSTAND“ ZUR VERFÜGUNG GESTELLT UND NI ÜBERNIMMT KEINERLEI GARANTIEN. AUSFÜHRLICHERE
ERLÄUTERUNGEN ZU ANDEREN EINSCHRÄNKUNGEN ENTNEHMEN SIE BITTE DEN NUTZUNGSBEDINGUNGEN FÜR NI.COM.
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