Vorstellung einer unterstützenden Arm-Orthese

Hallo Zusammen,

vor kurzem habe ich mich mit einem kleinen Zwischenprojekt beschäftigt, welches ich vorstellen wollte. Es handelt sich zwar um keinen Roboter, ist jedoch artverwandt, da es mit der Bewegungsunterstützung eines Arms zu tun hat.

Die Problemstellung war, das der Muskel eines Unterarms nach einem Unfall nicht wieder auf den ursprünglichen Stand verheilt ist. Deshalb konnte die Person, welche die Orthese bekommen hat, den Unterarm nicht mehr vollständig anheben. Wir hatten die Idee das Problem durch eine rein mechanische Orthese zu lösen, welche die notwendige Hebekraft unterstützt. Aus diesem Grund haben wir erstmal eine Bestandsaufnahme gemacht:

Anhang 35989

Hierbei zeigt die dunkelblaue Kennlinie die Kraft, welche ohne Muskeleinwirkung nötig ist um den Unterarm zu heben. Die lila Kennline stellt die Kraft dar, die der Muskel an welchem Winkel aufbringen kann.

Anhand der Kennlinie ist ersichtlich, das die Kraft zuerst zu- und dann wieder abnehmen muss. Aus diesem Grund wurde eine Kinematik entworfen, die einen Kennlinienverlauf dieser Art verursacht:

Anhang 35988

Idee hinter der Kinematik war, das zwei Kniehebel ineinander übergehen und ihre Dominanz zueinander wechseln. Im unteren Bereich, wo der Arm seine Funktion hat, bilden die beiden unteren Kniehebel eine Durchstreckung, weshalb sie wesentlich stärker sind als die voll durchgespannte Feder. Im oberen Bereich sind die beiden oberen Kniehebel durchgesteckt, wodurch die Kraft der in diesem Zustand zusammengezogenen und somit schwächeren Feder mehr Wirkung hat.

Die Kinematik habe ich anschließend über die Winkelfunktionen in Excel verknüpft, so dass man durch verschieben der Punkte unterschiedliche Kennlinienverläufe ausgeben lassen konnte.
Das Ganze wurde noch in eine Arbeits-Kennlinie umgewandelt, die hier in 5°-Schritten abgebildet ist:

Anhang 35987

Man sieht das die Orthese bei den unteren 10° im durchgestreckten Zustand einschnappt. Hierdurch wird vermieden, das der Arm im hängenden Zustand ständig nach oben gedrückt wird. Sind die ersten 10° (15° bis 25°) überwunden beginnt die Orthese eine Unterstützungskraft aufzubauen, die bis 90° steigt und dann wieder abnimmt. Der Träger erlebt somit eine unterstützende Kraft von der Armauflage, die das Eigengewicht des Armes aufhebt. Die Rückstellung erfolgt über den funktionierenden Trizeps.

Der ausgearbeitete Konstruktionsentwurf sieht folgendermaßen aus:

Anhang 35986

Hierbei ist wichtig, das der Arm lose in der Auflage liegt. Der Bügel dient lediglich zum Ausheben aus den ersten 10°. Zum einen wird dadruch nicht irgendwie am Ellenbogengelenk gezogen oder gedrückt, zum anderen kann die Hand weiterhin gedreht werden, wodurch der Arm auf allen Höhen arbeitsfähig bleibt.

Nach der theoretischen Ausarbeitung ist es an die Realisierung gegangen. Die Mechanik besteht hierbei hauptsächlich aus Dreh- und Frästeilen, welche sich einfach herstellen lassen. Die Bleche habe ich laserschneiden lassen und dann lediglich die Passungen gerieben und Senkungen angebracht. Was das Textil betrifft war eine Freundin so nett und hat das Ganze ausgelegt und gefertigt:

Anhang 35985

Im Anschluss habe ich wieder ein YouTube-Video gemacht, das das Projekt zusammenfasst:

https://www.youtube.com/watch?v=UlXdpz5h6V8

Für die Orthese gibt es noch einen Satz unterschiedlich starker Federn, so dass der Träger selbst noch ein paar Feineinstellungen vornehmen kann, wenn er mal etwas mehr heben muss. Im Großen und Ganzen funktioniert es gut.

Ich hoffe der Beitrag gefällt euch und ist eine Anregung für Leute, die ein ähnliches Problem lösen wollen.

Viele Grüße
Marcel