maxon Technologie für das Wohlergehen von Kindern

54 Prozent aller Kinder mit zerebraler Kinderlähmung können ohne Hilfe gehen, 16 Prozent benötigen dafür spezielle Hilfsmittel und 30 Prozent sind im Alter von fünf Jahren noch immer nicht in der Lage zu laufen. Deshalb arbeitet ein Team von Forschungsprofessor:innen an der JUNIA seit mehreren Jahren im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts M.O.T.I.O.N an der Entwicklung eines Exoskeletts für Kinder mit zerebraler Lähmung, die nicht laufen können.

Luc Masson hat immer davon geträumt, seine aussergewöhnliche, mehrfach behinderte Tochter laufen zu sehen. Es war die erste Begegnung zwischen Luc Masson und dem JUNIA-Team vor zehn Jahren, die den Anstoss für eine Machbarkeitsstudie und die Konstruktion einer ersten Version des Exoskeletts gab, nachdem die anfängliche Finanzierung geregelt war. So entstand des M.O.T.I.O.N-Projekt von JUNIA.

Damals begann das Team eine Zusammenarbeit mit dem Interreg-2-Seas-Programm. Das Förderprogramm für Grossbritannien, Frankreich, die Niederlande und Belgien möchte in dieser Region in erster Linie eine Wiege der innovativen Forschung und des Wissens schaffen, bei der Inklusion und Nachhaltigkeit im Zentrum stehen. Für das M.O.T.I.O.N-Projekt wurde ein europäisches Konsortium gegründet.

JUNIA-Teammitglieder und das Logo des Interreg-2-Seas-Programms

Projekt M.O.T.I.O.N

Das M.O.T.I.O.N-Projekt möchte in Zusammenarbeit mit Fachkräften aus der Forschung, Konstruktion und Medizin ein Exoskelett für die unteren Gliedmassen von Kindern mit zerebralen Lähmungen entwickeln und bauen. Dieses soll die Kinder beim Gehen unterstützen. Gleichzeitig werden mithilfe intelligenter Bekleidung Stress und verschiedene physiologische Parameter bei den Kindern gemessen.

Das Konsortium umfasst 14 Partner aus den vier Ländern der europäischen Förderregion. Ihnen steht ein Gesamtbudget von rund EUR 7,4 Millionen zur Verfügung. Fünf Personen im JUNIA-Team arbeiten Vollzeit an der Entwicklung des Exoskeletts für die unteren Gliedmassen. Zählt man alle übrigen Partner hinzu, sind insgesamt mehr als 50 Personen an dem Projekt beteiligt.

JUNIA agiert als Leiterin des M.O.T.I.O.N-Projekts

Die JUNIA-Gruppe ist eine der führenden privaten Hochschuleinrichtungen in Europa. Seit 1885 bietet sie eine Grundausbildung (einschliesslich Ingenieursabschlüsse an der HEI, ISA und ISEN Lille), Forschungsarbeit, Beratungsdienste für Unternehmen sowie berufliche Weiterbildungsmöglichkeiten an.

Die JUNIA-Gruppe

• ist als private Hochschuleinrichtung von allgemeinem Interesse in Frankreich anerkannt (EESPIG).
• ist an vier Standorten angesiedelt: Lille, Bordeaux, Châteauroux und Rabat.
• hat derzeit 5000 Studierende, 450 Mitarbeitende und 28000 Absolvent:innen.
• ist aktiv an 23 Forschungslabors beteiligt und beaufsichtigt gemeinsam vier regionale öffentliche Labors.
   

Laurent Peyrodie, ein Forschungsprofessor des JUNIA-Teams, erläuterte die zahlreichen Ziele des Teams für das Wohl der Menschen: «Die Tür zu einem besseren Leben zu Hause oder im Spital öffnen, die Exoskelett-Technologie zugänglich machen und den Betreuungsbedarf von Kindern mit zerebraler Kinderlähmung decken sowie das Fachwissen der 2-Seas-Region zusammenführen. Es gibt Kinder, die alleine laufen können, andere benötigen ein technisches Hilfsmittel, und manche werden nie laufen lernen. Das Exoskelett von JUNIA ermöglicht Fortschritte und die Überwachung beim Laufenlernen.» 

Dabei fungiert es ein wenig wie eine Alternative zum Rollstuhl und könnte der Gesellschaft eine neue Sichtweise auf die Behinderung vermitteln, während es gleichzeitig als Sprungbrett für die Akzeptanz dieser Technologien dient. Auch für Erkrankungen wie Hemiplegie der unteren Gliedmassen ist der Einsatz des Exoskeletts denkbar.

Ein Exoskelett zur Bewältigung technischer Herausforderungen

Die Entwicklung des Exoskeletts war keine leichte Sache, denn Kinder befinden sich im Wachstum. Das zu berücksichtigen, war eine wahre Herausforderung. Das Exoskelett für die unteren Gliedmassen sollte modular konstruiert werden, d. h. alle Gelenke mussten die gleiche Struktur aufweisen. Zudem sollte es autonom sein und unter allen Umständen ohne externe Mechanismen ausbalanciert werden. Der mechanisch in Höhe und Breite verstellbare Aufbau musste die Sicherheit und Eignung für jedes Kind gewährleisten.

Die Zusammenarbeit zwischen dem medizinischen und technischen Team ermöglichte es den Mitgliedern des JUNIA-Teams, einen mechanischen Aufbau zu entwickeln, der sich den körperlichen Veränderungen des Kindes anpassen kann.

Abgesichert wurden die Mechanismen vor der Fertigung mithilfe von Simulationstools und klinischen Daten. Mit den gleichen Tools wurden die grundlegenden Drehmomente und Bodenkräfte ermittelt, um den richtigen Motor zu wählen.

maxon Motoren verändern das Leben von Tausenden von Kindern

Das Exoskelett muss viele Anforderungen erfüllen. Vor allem: ein gutes Leistungsgewicht für eine leichte Bauweise, eine kompakte Konstruktion, die die anwendende Person in ihrer Bewegung nicht behindert, und hohe Drehmomente, die ein Untersetzungsgetriebe erfordern.

Das JUNIA-Exoskelett benötigt drehmomentstarke Motoren mit starker Beschleunigung. Ausserdem müssen sie möglichst wenig Energie verbrauchen und den Zugang zu Steuerparametern ermöglichen. Deshalb setzt das JUNIA-Team auf die Hochleistungsmotoren von maxon. Mit ihnen werden sechs Gelenke angetrieben: zwei an jeder Hüfte und eines an jedem Knie. Der Antrieb der Exoskelett-Knöchel wird von Mobilab bereitgestellt.

Drei maxon Motoren pro Bein mit Untersetzer, einer für das Knie und zwei für die Hüfte

Zur Steuerung des Exoskeletts werden die Motoren EC 60 und EC 90 sowie EPOS4-Steuerungen von maxon verwendet. Vernetzt sind die Motoren dabei über EPOS4-EtherCAT-Treiber.

Nach anderthalb Jahren hat JUNIA nun einen Aufbau gefertigt, der sich an die Grösse und den Körperbau des Kindes anpasst. Er verbindet das Fussgelenk und die Hüften, die von KU Leuven entwickelt wurden. Verbaut in jedem Bein sind drei maxon Motoren mit Untersetzungsgetriebe. Einer für das Knie und zwei für die Hüfte. Hinzu kommen noch drei EPOS4-Steuerungen, die für eine modulare, digitale Positioniersteuerung sorgen und beim Gehen ausserdem den Algorithmus zur Regelung des Gleichgewichts überprüfen.

Zusammenarbeit zwischen JUNIA und maxon France

Das Exoskelett des JUNIA-Teams stellt präzise Anforderungen, die nur von den hochwertigen und zuverlässigen Produkten von maxon erfüllt werde können. maxon vertreibt nicht nur die Motoren, sondern auch Steuerungen, die speziell für diese Motoren entwickelt wurden. Diese Kombination ist ein Volltreffer für JUNIA, denn sie lässt sich problemlos in das M.O.T.I.O.N-Projekt integrieren. «Wir haben uns in Blogartikeln über Exoskelette und Robotik informiert und wissen, dass maxon Produkte hier breite Anwendung finden. Wir wollen maxon Qualität für unsere Motoren. Die Produkte von maxon erfüllen unsere Anforderungen haargenau. Das haben wir berechnet.»

Kompaktheit, Gewicht und Masse-Leistungs-Verhältnis – diese Aspekte der maxon Produkte haben das JUNIA-Team dazu bewogen, ihre Produkte im maxon Onlineshop zu bestellen und sich so die besten Preise und Lieferzeiten zu sichern. Darüber hinaus konnte sich das technische Team von JUNIA über den technischen Support von maxon France Informationen über die Funktionen der maxon Steuerungen einholen und die Parameter so optimal einstellen.

Die Zukunft mit maxon France

JUNIA hat vor, das Exoskelett an Kindern mit zerebralen Lähmungen zu testen, um den Technologie-Reifegrad TRL 5 zu erreichen, bevor eine Zertifizierungsphase mit dem Ziel der klinischen Erprobung an grösseren Gruppen von Patient:innen eingeleitet wird.

In Grossbritannien wurde der Aufbau bereits dupliziert. Auch hier mit maxon Produkten. Damit die letztendliche Verbindung der einzelnen Systeme glattläuft, verwenden alle am Projekt beteiligten Teams maxon Produkte. «Wir können denselben Steuerungstyp mit denselben Steuerplatinen verwenden. Das erleichtert die spätere Integration. Selbstverständlich empfehlen wir maxon Produkte weiter», meinte der Forschungsprofessor Laurent Peyrodie.

Als nächstes will JUNIA die technologischen Aspekte des Aufbaus fertigstellen und diese dann an gesunden Kindern testen. Noch vor Jahresende sollen dann in einer zweiten Phase Kinder mit zerebraler Lähmung das Exoskelett testen.

Video zum M.O.T.I.O.N-Projekt: Zehn Schritte. Automatisch.

maxon spielt bei dieser Entwicklungsaufgabe eine entscheidende Rolle, indem das Unternehmen immer wieder neue und noch leistungsfähigere Motorsysteme vorschlägt. Ende 2021 lancierte maxon neue Produkte für dynamische Anwendungen, die den Marktbedürfnissen in Bezug auf Dynamik, Kompaktheit und Leistungsdichte perfekt entsprechen.

Dazu gehören der neue EC frameless DT, der erste einer Produktfamilie für die dynamische Bewegung, sowie die ECX-Flat-Baureihe für aussergewöhnliche Leistung, erhältlich in Durchmessern von 22 mm, 32 mm und 42 mm.