ETH Zürich Exoskelett Praktikum mit dem EduExo Pro
- sofiadani3
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Aktualisiert: vor 2 Stunden
Hintergrund
Die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), eine der führende Universität im Bereich Technik und Ingenieurwissenschaften, bietet einen Robotik-Kurs an, der sich mit den Grundlagen und Anwendungen tragbarer Exoskelette befasst.
Der Kurs mit dem Titel „Haptic Control of an Arm Exoskeleton“ wird vom Sensory-Motor Systems Lab unter der Leitung von Prof. Dr. Robert Riener angeboten. Er richtet sich an Studierende des Maschinenbaus und umfasst wöchentliche Laborsitzungen während des Semesters.
Jede Sitzung ist für vier bis sechs Studierende konzipiert, die in Zweierteams arbeiten. Der Kurs wird zwölfmal pro Semester angeboten, sodass insgesamt rund 60 Studierende teilnehmen können. Die praktischen Einheiten dauern in der Regel zwischen 2,5 und 3 Stunden.
Für den Kurs wählte die Hochschule das Auxivo EduExo Pro, um Regelungstechnik für Exoskeletten praxisnah zu vermitteln. Dieses speziell für Bildung und Forschung entwickelte Exoskelett diente als zentrale Hardwareplattform des Kurses. Es ermöglichte den Studierenden, durch praktische Experimentieren zu verstehen, wie sich verschiedene Regelungsansätze auf die Interaktion zwischen Mensch und Exoskelett auswirken.
Dabei erlebten die Teilnehmenden aus erster Hand sowohl die Stärken als auch die Grenzen verschiedener Regelungsstrategien – und vertieften so ihr Verständnis für anziehbare Robotik.
Kursziele
Der Kurs hat folgende Lernziele:
Einführung der Studierenden in die Grundlagen der anziehbaren Robotik.
Vermittlung praktischer Erfahrungen in der Programmierung und Regelung von Exoskeletten
Förderung des Verständnisses der Biomechanik und ihrer Rolle bei der Gestaltung von Exoskeletten
Förderung von Innovation und Problemlösung im Zusammenhang mit Mensch-Maschine-Schnittstellen
Kursstruktur
Der Kurs kombiniert theoretische Inhalte mit praktischen Laborübungen und bietet so einen systematischen Lehransatz. Jede Veranstaltung beginnt mit einer Laborführung, gefolgt von einer Einführung in Exoskelette und einem Überblick über die praktischen Aufgaben. Die Studierenden überprüfen zunächst selbstständig den vorgegebenen Programmcode, bevor sie mit den praktischen Übungen beginnen.
Während der gesamten Unterrichtseinheit arbeiten die Studierenden selbstständig und diskutieren ihre Lösungen und die Fehlerbehebung bei potenziellen Problemen. Bei Bedarf steht Unterstützung durch den Dozenten zur Verfügung. Sobald alle Übungen abgeschlossen sind und der Code wie vorgesehen funktioniert, ziehen die Studierenden das Exoskelett an, um zu erleben, wie sich ihre Implementierung beim Tragen des Geräts verhält. Je nach Ergebnis verfeinern die Studierenden ihren Code weiter, um die Unterschiede zwischen Tests am Tisch und am Körper zu berücksichtigen.
Praktische Aufgaben
Die Studierenden lösen Aufgaben, die auf realen Herausforderungen in der anziehbaren Robotik und der Rehabilitationsforschung basieren.
Transparenzregelung: Mithilfe des Kraftsensors und des Ellbogengelenkmotors des EduExo Pro wird ein Admittanzregler implementiert, der die mechanische Transparenz maximieren soll, indem er die Interaktionskräfte ausgleicht.
EMG-basierte Bewegungsunterstützung: Entwicklung von Algorithmen, die Muskelaktivitätsdaten, die mit dem EMG-Sensor des EduExo Pro gemessen werden, zur Unterstützung von Armbewegungen verwenden.
Sensordaten-Fusion: Kombination von Kraft- und EMG-Daten zur Verbesserung der Systemstabilität und Unterstützung der Nutzer.
Das EduExo Pro
Das EduExo Pro ist ein Exoskelett, das speziell für den Einsatz in Bildung und Forschung entwickelt wurde. Es wird als Bausatz angeboten, was bedeutet, dass Studierende es selbst zusammenbauen und programmieren können und Zugang zu allen technischen Details erhalten. Im vollständig montierten Zustand umfasst es das Schulter- und Ellbogengelenk.
Zum Kit gehört ein umfassendes Handbuch, das eine breite Palette an theoretischen und praktischen Inhalten abdeckt. Die theoretischen Abschnitte behandeln Themen wie die Geschichte der Exoskelette, mechanisches und elektronisches Design, Anatomie, Mensch-Roboter-Interaktion und Regelungstechnik. Die praktischen Abschnitte enthalten Übungen, die theoretische Konzepte unmittelbar in der Praxis anwenden und dabei reale Herausforderungen aufzeigen.
Das EduExo Pro ist mit der Open-Source-Entwicklungsumgebung Arduino kompatibel und unterstützt eine Vielzahl von Lehranwendungen. Dank seines erschwinglichen Preises können Bildungseinrichtungen mehrere Studierendengruppen gleichzeitig ausstatten und so praxisnahe Lernerfahrungen im Unterricht fördern.
Experimenteller Aufbau
Für diesen Kurs wurden mehrere EduExo Pro-Einheiten vormontiert, sodass sich die Studierenden auf die Implementierung verschiedener Regelungssysteme konzentrieren konnten. Die Aufgabe bestand darin, den Mikrocontroller des Exoskeletts zu programmieren, Sensordaten auszulesen und diese zur Ansteuerung eines Motors zu verwenden. Im Rahmen dieser Übung wurden die folgenden Hauptkomponenten des Exoskeletts eingeführt und im Detail erklärt:
Servomotor: Steuert die Beugung und Streckung des Ellbogens und bietet aktive Unterstützung.
Kraftsensor: Misst die Interaktionskräfte zwischen Nutzer und Exoskelett.
EMG-Sensor: Misst die Muskelaktivität und ermöglicht so die Erkennung von Bewegungsintentionen.
Arduino-Mikrocontroller: Dient zur Umsetzung der Regelungslogik und zur Erfassung der Sensordaten.
Kursdokumentation und Betreuung
Der Praxiskurs wurde durch ein 12-seitiges Kurs-Skript begleitet, das theoretische Grundlagen vermittelte, Regelungsstrategien erklärte und die Studierenden schrittweise durch den experimentellen Aufbau sowie die Aufgaben führte. Dieses Dokument diente während der gesamten Sitzung als zentrale Referenz, um sowohl das technische Hintergrundwissen als auch die praktischen Abläufe verständlich zu machen. Es beinhaltete zudem eine Übersicht über die Hardware – basierend auf Materialien aus dem EduExo Pro Handbuch – sowie ein Quellcodebeispiele, welche die Studierenden im Rahmen der Aufgaben vervollständigen mussten, um verschiedene Regelungssysteme zu implementieren.
Die Betreuung der Sitzungen erfolgte in erster Linie durch einen Doktoranden, welcher mit dem Themengebiet gut vertraut war, unterstützt von einem studentischen Tutor. Diese Struktur ermöglichte bei Bedarf eine individuelle Betreuung, förderte jedoch zugleich eigenständiges Arbeiten und kollaboratives Problemlösen innerhalb der Studententeams.
Ergebnisse
Die Integration realer Hardware in die Lehrveranstaltung durch das EduExo Pro hat einen projektbasierten, praxisorientierten Lernansatz gefördert. Durch die Arbeit mit funktionsfähigen Exoskeletten und die Entwicklung eigener Regelungssysteme setzen sich die Studierenden direkt mit den technischen Herausforderungen der Mensch-Maschine-Interaktion auseinander. Diese praktische Erfahrung ergänzt das theoretische Wissen und stärkt sowohl die Problemlösungsfähigkeit als auch die technischen Kompetenzen der Teilnehmenden. Der Kurs hat somit folgende Ergebnisse erzielt:
Verbesserte Lernerfahrungen: Die Studierenden erwerben ein praxisnahes Verständnis der Exoskelettregelung und schlagen eine Brücke zwischen Theorie und Anwendung.
Kompetenzentwicklung: Absolventinnen und Absolventen verlassen den Kurs mit fundierter praktischer Erfahrung, wodurch sie besser vorbereitet werden auf Karrieren in der Robotik, im Gesundheitswesen und in verwandten Disziplinen.
Vorteile des Einsatzes des EduExo Pro
Die Durchführung des Kurses mit dem EduExo Pro ermöglichte einen vergleichsweise einfachen, schnellen und kosteneffizienten Aufbau. Das offene Design des Systems erlaubte eine unkomplizierte Integration in den bestehenden Lehrplan, ohne dass umfangreiche Anpassungen der Laborinfrastruktur erforderlich waren. Die klare Dokumentation und die offene Programmierumgebung erleichterten die schnelle Inbetriebnahme und verkürzten die Einarbeitungszeit für die Studierenden.
Darüber hinaus machte der erschwingliche Preis des EduExo Pro den Einsatz mehrerer Einheiten möglich, sodass kleine Studierendengruppen jeweils mit eigenen Geräten arbeiten konnten – was die aktive Beteiligung und die praktischen Lernmöglichkeiten deutlich erhöhte.
„Das EduExo Pro bietet eine hervorragende Lehrplattform und ermöglicht es uns, theoretisches Wissen mit praktischer Erfahrung zu verknüpfen. Die Studierenden sind begeistert!“ - Prof. Dr. Robert Riener, Leiter des Sensory-Motor Systems Lab der ETH Zürich, Professor an der ETH Zürich und am Universitätsklinikum Balgrist, Initiator des CYBATHLON
Wenn Sie das EduExo Pro in Ihrer eigenen Lehre einsetzen möchten, besuchen Sie gerne unsere Produktwebseite für weitere Informationen oder kontaktieren Sie uns direkt bei Fragen.
