Hybride Modelle für die präzise Vorhersage von Gelenkdrehmomenten/-bewegungen auf Basis von sEMG-Messungen für die körpernahe Robotik

• Antragsteller: Professor Dr. Axel Schneider
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398081449

Um biosignalgesteuerte, adaptive Körperunterstützungssysteme zu ermöglichen, die sich kontinuierlich dem Verhalten des Nutzers anpassen, sind im Bereich der Grundlagenforschung fundamentale Herausforderungen zu überwinden. Das beantragte Projekt wird die Vorhersagegenauigkeit von EMG-gesteuerten Muskel-Gelenk-Modellen durch eine hybride Erweiterung der Modelltopologie deutlich verbessern. Vorhersageungenauigkeiten bezüglich des Drehmoments und der Position entstehen bei gegenwärtigen Ansätzen insbesondere bei statischen Halteposturen, langsamen Gelenkrotationen (mechanische Drift bei geringer EMG-Aktivität) und transienten Übergängen zu dynamischen Bewegungen. Um diesen Ungenauigkeiten entgegenzutreten, werden gängige Muskel-Gelenk-Modell um parametrierbare Gleitreibungsteilmodelle und adaptive Modelle der Gelenkgeometrie ergänzt und deren Parameter optimiert. Eine weitere Verbesserung wird im Rahmen eines iterativen Optimierungsprozesses durch das explorative Hinzufügen von Grey-Box-Modellen parallel zu bestehenden Teilmodellen erreicht. Eine zweite Herausforderung bei der Vorhersage von Gelenkbewegungen besteht darin, dass EMG-getriebene Muskelmodelle als Ausgangsgrößen lediglich Kräfte liefern. Diese können nicht einfach Gelenkdrehmomenten zugeordnet werden und verrauschte Gelenkdrehmomente eignen sich nicht zur Bestimmung des Gelenkwinkels. Eine Beobachtung des EMGs erlaubt somit keinen Aufschluss über den gegenwärtigen Winkel des an den Muskel angeschlossenen Gelenks. Da auf Basis von EMG-Arrays aber die Positionen der Muskelinnervationszonen (IZ) und der Muskel-Sehnen-Übergänge (z.B. durch Beamforming-Ansätze) bestimmt und somit die Muskelfaser- und Sehnenlängen abgeschätzt werden können, wird in diesem Projekt mit Hilfe der Muskel-, Sehnen- und Gelenkteilmodelle sowie der Kenntnis der IZ-Position auch eine Abschätzung des absoluten Gelenkwinkels ermöglicht. Dies erlaubt die Beseitigung der Positionsdrift auf Basis von EMG-Messungen und ohne die direkte, mechanische Messung des Gelenkwinkels. Die so verbesserten, EMG-getriebenen Muskel-Gelenk-Modelle unterstützen einen Lösungsansatz für eine dritte Herausforderung: die entstehende Latenz bei der Drehmomenterzeugung in aktuierten Orthesen in Bezug auf das durch den biologischen Arm erzeugte Drehmoment. Da das EMG-getriebene Muskel-Gelenk-Modell das Armmoment vorhersagt, kann ein neuer Regelungsansatz entwickelt werden, der durch zusätzliche Verwendung eines Orthesenmodells den Phasenversatz des Drehmoments vorhersagen und Regelabweichungen durch Beeinflussung der Drehmomentphasenlage reduzieren kann. Der Unterstützungsgrad wird durch einen zusätzlichen Support-Level-Regler eingestellt. Die entstandenen Modelle werden mit Hilfe einer parallel aufgebauten, minimalaktuierten Orthese mit EMG-Arrays auf ihre Gültigkeit getestet. Zur Parametrisierung und Evaluation werden Bewegungs- und EMG-Daten aus drei Probandenstudien verwendet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen