Bionische Hand mit Lego Mindstorms
In den vergangenen Jahren hat sich die Technik der Hand- und Armprothesen rasant entwickelt. Dank der Fortschritte in Bezug auf Steuerungsmöglichkeiten und Sensorik wird die Feinmotorik der Prothesen immer besser. So ist nicht nur die Präzision des Greifens optimiert, es kann jetzt auch die Geschwindigkeit und die Intensität des Griffes bestimmt werden.
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Wie funktionieren diese Prothesen?
Die Prothesen werden über die in den Muskelzellen des verbliebenen Armstumpfes erzeugte elektrische Spannung gesteuert. Durch das An- und Entspannen der Beuge- und Streckmuskeln im Unterarm entstehen Muskelsignale. Ein Mikroprozessor im Schaft der Prothese misst die myoelektrischen Impulse über Hautelektroden und errechnet daraus ein elektrische Steuersignale für die Aktoren (= Motoren) der Prothese, die Arm und Hand bewegen.
Leon und Vincent, ein Film über den 13-jährigen Leon mit seiner Armprothese.
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Diese Prothesen muss man auch nicht mehr „verstecken“, wie das Beispiel der Schauspielerin Angel Giuffria zeigt.
Nachbau einer einfachen Greifhand mit Lego Mindstorms
Das Prinzip einer selbstgesteuerten Greifhand die über einen Microcontroller gesteuert wird lässt sich mit Lego Mindstorm nachempfinden.
Die benötigten Bauteile: 2 Motoren, 4 Greifer und ein 1 EV3 Block, Haushaltsgummis zum Befestigen der Greifer an Arm und Hand.
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Mit Haushaltsgummis werden die Greifer mit ihren Motoren an der Steuerhand und am Ellbogen (als Simulation für eine Prothese) befestigt.
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Die Herausforderung für die Programmierung besteht jetzt darin, die Bewegung der Steuerhand direkt auf die simulierte Prothesenhand am Ellbogen zu übertragen. Dazu muss in einer Dauerschleife fortlaufend der Winkel der Greifer verglichen werden und bei Abweichungen korrigiert werden.
Beispiel: ist der Winkel der Steuerhand z.B. 45 Grad und der Winkel der Prothesenhand z.B. 0 Grad wird eine Öffnungsbewegung der Prothesenhand um 45 Grad veranlasst – so lange, bis die Winkel übereinstimmen.
Damit es beim Erreichen der neuen Position kein Rückfedern des Greifers gibt, weil er aus voller Geschwindigkeit abbremst und die Energie nach dem actio-reactio Prinzip wieder in die andere Richtung reflektiert würde braucht es einen Algorithmus, der einen kontrollierten Bremsvorgang ermöglicht. Je kleiner die Differenz zwischen den beiden Vergleichsmotoren ausfällt, desto langsamer soll der Motor werden, der sich gerade anpasst. Das heißt, am Anfang der Bewegung bewegt er sich mit maximaler Geschwindigkeit und wird kontinuierlich langsamer bis er am Zielpunkt zum Stillstand kommt.
Beispielrechnung:
Winkel A 90° – Winkel B 45° ergibt 45% der möglichen Geschwindigkeit
Winkel A 90° – Winkel B 70° ergibt 20% der möglichen Geschwindigkeit
Winkel A 90° – Winkel B 98°ergibt 2% der möglichen Geschwindigkeit
Da in der Schleife die Winkel kontinuierlich abgefragt werden wird die Geschwindigkeit immer geringer und ist bei der Winkeldifferenz 0 ebenfalls 0. Dies geschieht dennoch so rasch, dass die Verzögerung zwischen Steuerung und „Prothese“ praktisch nicht zu bemerken ist. Es wird kontinuierlich die Geschwindigkeit angepasst, welche auch negativ werden kann und der Motor dann die Richtung wechselt. Ein Motor mit Geschwindigkeit 0 kann als „Aus“ betrachtet werden. Im Gegensatz zu einer Bewegung des Motors um Winkel A – Winkel B sind hier keine weiteren Regelelemente wie Verzögerungen, mathematische Funktionen oder Fallunterscheidungen nötig um eine rasche, flüssige Bewegung ohne Übersteuern und Korrekturen zu erzeugen.
