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Mensch-Exoskelett-Kollaboration auf Basis Strukturintegrierter Sensoren

Hessinger, Markus (2021):
Mensch-Exoskelett-Kollaboration auf Basis Strukturintegrierter Sensoren. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019040,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Mensch-Exoskelett-Kollaboration auf Basis Strukturintegrierter Sensoren
Language: German
Abstract:

Die Akzeptanz von technischen Unterstützungssystemen für den Menschen ist von deren Fähigkeit der Anpassung an die spezifischen Bedürfnisse des Nutzers abhängig. Für die Bewegungsunterstützung der oberen Extremität des Menschen durch ein aktives Exoskelett, stellt die kollaborative Ausführung dieser Bewegung eine grundlegende Forschungsfragestellung dar. In dieser Arbeit werden Verfahren der Mensch-Exoskelett-Kollaboration untersucht, um eine sichere und komfortable Unterstützung bei freien Bewegungen des Arms für die gezielte Positionierung eines Werkzeuges zur Interaktion mit Objekten zu ermöglichen. Dabei wird eine individuelle Strukturintegration von Sensorik zur Erkennung von Bewegungsintention des Nutzers angewandt. Durch die strukturintegrierte Messung des Drehmomentes der sieben Gelenkachsen des Manipulators, wird die Summe der dynamischen Einflüsse auf den Bewegungsablauf bestimmt. Auf Basis von kinematischen und dynamsichen Modellen des seriellen Manipulators wird daraus die Interaktion des Nutzers mit dem Exoskelett mit einer Messunsicherheit < 7 % abgeleitet. Bei der Interaktion des Manipulators mit der Umgebung kann die haptische Wahrnehmung des Menschen durch ein strukturintegrierten Kraftsensor substituiert werden. Der hohe Individualisierungsgrad der Sensorgeometrie motiviert neuartige Herstellungsverfahren. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Grundlagen zur additive Fertigung von metallischen Kraftsensoren untersucht. Es wird ein systematischer Entwurf eines kollaborativen Exoskeletts unter Berücksichtigung von anwendungsbezogenen Anforderungen durchgeführt. Der Prototyp besteht aus sieben aktuierten Freiheitsgraden zur Unterstützung der Schulter, des Ellenbogens und des Handgelenks. Für den mobilen Einsatz wird der Entwurf hin zu einer Variante mit hoher Integrationstiefe durch dezentralen Sensor-Aktor Knoten weiterentwickelt. Diese stellt ein Drehmoment von 30 Nm und eine Drehgeschwindigkeit von 3,14 rad/s bei einem Gesamtgewicht von 8,5 kg inklusive Akku bereit. Das vorgestellte Leichtbau-Exoskelett weist durch das modular erweiterbare Sensorsystem für physische und kognitive Messgrößen ein hohes Innovationspotential zur Untersuchung von physiologischen Aspekten bei der Kollaboration mit dem Menschen auf. Die Umgebungsinteraktion des geführten Werkzeuges wird mit einer kraftgeregelten Bohrung in ein Knochenphantom umgesetzt. Ein stabiles Systemverhalten bei maximal 30 % Überschwingen durch Kompensation nicht modellierbarer Nachgiebigkeiten wird mittels einer hybriden Kraft-Positionsregelung des Endeffektors erreicht. Für die Trajektorienplanung werden Ansätze für eine natürliche Armbewegung vorgestellt. Bei der Transformation in den Gelenkraum des redundanten Manipulators werden neben Methoden zur Verhinderung singulärer Stellungen, auch die Nutzerintention bei der Formulierung des Optimierungsproblems berücksichtigt. Die Trajektorienplanung des Endeffektors wird in Echtzeit durchgeführt, um dynamische Änderungen der Zielpose durch den Manipulator kompensieren zu können. Die Zielpose der Trajektorie wird im Vorfeld am virtuellen Objekt des Phantoms definiert. Durch ein neues Line-Matching Registrierungsverfahren wird diese auf das reale Objekt übertragen. Dabei reduziert sich die benötigte Dauer um 30 % und der Fehler um 12,5 % im Vergleich zu klassischen Verfahren. Die relative Position zwischen Werkzeug und Knochenphantom wird durch strukturintegrierte Marker mit einer Trackingkamera aufgenommen. Der relative Gelenkwinkel der oberen Extremität wird hingegen mit einem inertialen Sensorsystem bestimmt. Durch Sensordatenfusion wird die absolute Lage im Raum der an den Armsegmenten befestigten Sensoren ermittelt und die einzelnen Sensorknoten mit einem dynamischen Bewegungsablauf zueinander ausgerichtet. Die mit einer maximalen Abweichung von 3 % berechneten Gelenkwinkel dienen als Eingangsgröße für eine modellbasierte Impedanzregelung. Dabei wird von Außen eine Bewegung vorgegeben und durch Adaption der Gelenkwinkelsteifigkeit eine komfortable Führung des Armes gesichert. Die kognitive Bewegungsintention des Menschen wird durch die Bestimmung der elektrischen Aktivität bei der Muskelkontraktion hergeleitet. Eine Fuzzy-Logik reduziert den Störeinfluss von Rauschen auf die elektrischen Signale der antagonistischen Muskelpaare und ordnet der Muskelaktivität eine entsprechende Winkelgeschwindigkeit der Gelenke zu. Mit den Ergebnissen der Bewegungsvorgaben durch das kollaborative Exoskelett wird der hohe Bedarf an innovativen Ansätzen der individuellen Bewegungstherapie und -unterstützung für den Menschen adressiert und so ein Beitrag zum demografischen Wandel geleistet.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The acceptance of artificial assistance systems for humans depends on their ability to adapt to the specific needs of the user. For the motion assistance of the human upper limb by an active exoskeleton, the collaborative execution of this movement represents a fundamental research question. In this thesis, human-exoskeleton collaboration methods are investigated in order to enable safe and comfortable assistance during free movements of the arm and positioning of a tool for interaction with objects. An individual structural integration of sensor technology is applied to detect the user's intention to move. The sum of the dynamic influences on the motion sequence is determined through the structure-integrated measurement of the torque of the seven joint axes of the manipulator. Based on kinematic and dynamic models of the serial manipulator, the interaction of the user with the exoskeleton is derived with a measurement uncertainty of < 7 %. For the interaction of the manipulator with the environment, the haptic perception of the human can be substituted by a structure-integrated force sensor. The high degree of customization of the sensor geometry motivates novel manufacturing processes. In the context of this work, the fundamentals for the additive manufacturing of metallic force sensors are investigated. A systematic design of a collaborative exoskeleton is carried out under consideration of application-related requirements. The prototype consists of seven actuated degrees of freedom to support the shoulder, elbow and wrist. For mobile use, the design is being further developed into a variant with a high level of integration through decentralized sensor-actuator nodes. This provides a torque of 30 Nm and a rotation speed of 3.14 rad/s with a total weight of 8.5 kg including the battery. The presented lightweight exoskeleton has a high innovation potential for the investigation of physiological aspects in collaboration with humans due to the modularly expandable sensor system for physical and cognitive measured variables. The environmental interaction of the guided tool is implemented by force-regulated drilling in a bone phantom. A stable system behaviour with a maximum of 30 % overshoot by compensation of non-modellable compliance is achieved by means of a hybrid force-position controller of the end effector. For the trajectory planning, approaches for a natural arm movement are presented. For the transformation into the joint space of the redundant manipulator, the user intention is considered in the formulation of an optimization problem. Additional methods prevent singular postures and enable real-time trajectory planing. The target pose of the trajectory is defined in advance on the virtual object of the phantom. Through a new line matching registration procedure, the real object is transposed on the virtual with fiducial marks. This reduces the required duration by 30 % and the error by 12.5 % compared to conventional registration methods. The relative position between the tool and bone phantom is recorded by structure-integrated markers with a tracking camera. The relative joint angle of the upper limb, on the other hand, is determined with an inertial sensor system. Sensor data fusion is used to determine the absolute position in space of the sensors attached to the arm segments and the individual sensor nodes are aligned with each other using a dynamic motion sequence. The joint angles, calculated with a maximum deviation of 3 %, serve as input variables for a model-based impedance control. A movement input is specified externally and comfortable guidance of the arm is ensured by adapting the joint angle stiffness. The human cognitive intention to move the arm is derived by determining the electrical activity during muscle contraction. A fuzzy logic reduces the interference of noise on the electrical signals of the antagonistic muscle pairs and assigns a corresponding joint angular velocity to the muscle activity. With the results of the movement prescriptions by the collaborative exoskeleton, the high demand for innovative approaches of individual movement therapy and support for humans is addressed and thus a contribution to the demographic change is made.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 181 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 02 Jul 2021 07:22
Last Modified: 02 Jul 2021 07:22
DOI: 10.26083/tuprints-00019040
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-190407
Referees: Werthschützky, Prof. Dr. Roland ; Kupnik, Prof. Dr. Mario
Refereed: 10 June 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19040
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