Titan Arm – Prototyp eines Exoskelettarms

„Entwickle etwas, das ein Problem löst“ – unter diesem Motto haben vier Maschinenbaustudenten der University of Pennsylvania an der Entwicklung eines Exoskelettarms getüftelt und damit als erstes US-Amerikanisches Team den James Dyson Award gewonnen. Was primär für die Unterstützung der Rehabilitation von Menschen mit Rückenverletzungen gedacht ist, könnte auch für Querschnittgelähmte und andere Anspruchsgruppen interessant sein.

Bild Titan Arm 2_kl copyright Dyson GmbH 2013, Mit freundlicher Genehmigung von Elena Späth

Der Titan Arm ist ein batteriebetriebener Oberkörper-Roboterarm, der in der Rehabilitation Rückenverletzter eingesetzt werden kann, um Muskeln wiederaufzubauen und die motorische Kontrolle wieder zu erlernen. Er verstärkt die gegebene menschliche Armkraft unmittelbar um 20 Kilo und soll somit auch Menschen helfen, die bei ihrer täglichen Arbeit schwere Gegenstände heben müssen.

Inspiriert wurden die vier Preisträger von Exoskeletten für die unteren Extremitäten von z. B. den Herstellern Ekso Bionics oder dem japanischen Produkt ‚Hal‘ (siehe: Exoskelette – Schritte in die Zukunft), die eine Biosignalübertragung nutzen um querschnittgelähmten Nutzern das Gehen zu ermöglichen. Da der Titan Arm aber ein kostengünstiges Hilfsmittel darstellen soll, entwickelte das Team mithilfe von CAD-Software, 3D-Drucktechnik und CNC Werkzeugmaschinen eine ergonomisch geformte mechanisch/elektrische Lösung mit einem manuellen Steuerungssystem. Der Nutzer kontrolliert den Arm über einen Joystick.

Besonderen Wert hat das Titan Arm-Team darauf gelegt, dass ihr Oberarm-Exoskelett nicht zu teuer wird: „Wir wollten, dass der Titan Arm erschwinglich ist, da Exoskelette meist nicht von den Krankenkassen übernommen werden. Dies war ausschlaggebend für unsere Konstruktions-Entscheidungen und für die eingesetzten Materialien. Die meisten Elemente werden aus kostengünstigem Aluminium gefertigt.“

Die Kosten: 7.400 Euro

Im Vergleich zu anderen Exoskeletten halten sich die Kosten für den Titan Arm im überschaubaren Bereich. Der Prototyp kostete in der Herstellung nur 2.000 Dollar, das sind umgerechnet etwa 1.480 Euro. Exoskelette für Menschen mit motorischen Problemen sind heute noch sehr seltene Anfertigungen, die derzeit über 70.000 Euro kosten. Der Endpreis, zu dem der Titan Arm in den Handel kommen wird, soll bei weniger als 10.000 Dollar (ca. 7.400 Euro) liegen.

Das mit 45.000 Dollar (33.300 Euro) dotierte Preisgeld wollen die Erfinder des Titan Arms in die Weiterentwicklung, Prüfung und schließlich in die Vermarktung des Produkts stecken. Er soll z. B. individuell auf spezifische Anwender abgestimmt werden können. Dafür erhält die University of Pennsylvania weitere finanzielle Hilfen von der James Dyson Foundation für die Investition in die Rapid Prototyping-Ausstattung.

Wie der Titan Arm helfen kann:

Gegenwärtige Exoskelett-Projekte konzentrieren sich vorwiegend auf den Unterkörper, während Lösungen für Verletzungen des Oberkörpers von der Industrie aufgrund der komplizierten Reproduktion von Armbewegungen häufig vernachlässigt wurden. Der Titan Arm verstärkt die Armkraft, während die steife Rückseite die Körperhaltung aufrechterhält und die Schultergurte das Gewicht gleichmäßig verteilen. Der endgültige Prototyp verfügt über eine Schulter mit drei Drehgelenken, die dem Anwender einen freien Bewegungsumfang ermöglichen, der sich ideal für die Physiotherapie eignet. Diese Gelenke ermöglichen die gemeinsame Rotation zweier Bauteile, ähnlich wie bei einem Ellbogen. Für Tetraplegiker kann der Titan Arm interessant sein, wenn die Funktion der Arme bis zu einem gewissen Grad gegeben, die Motorik und/oder Muskelkraft jedoch eingeschränkt ist.

Der Bonus: Ständige Fahrten zum Krankenhaus sind kostspielig und lästig. Die Sensoren des Titan Arms erfassen die Bewegungen des Nutzers und leiten die Daten an Ärzte zwecks einer Ferndiagnose weiter, was die Physiotherapie für die Patienten komfortabler gestaltet.

Der James Dyson Award

Der James Dyson Award wird von der britischen James Dyson Foundation durchgeführt – einer vom Namensgeber gegründeten Stiftung, die es sich zur Aufgabe gemacht hat, die Kreativität, das Querdenken und den Erfindungsgeist der nächsten Generation von Ingenieuren und Produktdesignern zu fördern. Bewertet wird das Potenzial einer Idee; Preisgelder sind vorrangig dafür vorgesehen, die Weiterentwicklung der Prototypen voran und so das Konzept einen Schritt näher an die Vermarktung zu bringen. Der Wettbewerb ist offen für alle Studenten oder Absolventen innerhalb von vier Jahren nach Hochschulabschluss, die in Australien, Belgien, Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien, Japan, Kanada, Malaysia, Neuseeland, Niederlande, Österreich, Russland, Schweiz, Singapur, Spanien oder in den USA Produktgestaltung, Industriedesign oder Ingenieurwissenschaften studieren oder studiert haben. Der Dyson Award wird jedes Jahr neu ausgeschrieben und steht unter dem Motto „Entwickle etwas, das ein Problem löst“. 2013 setze sich der Titan Arm gegen 650 Einreichungen aus den 18 teilnehmenden Nationen durch.

Immer wieder reichen Ingenieure Lösungsvorschläge zu rollstuhl- bzw. querschnittrelevante Probleme für den James Dyson Award ein. Der-Querschnitt.de berichtet.