Aplikovaný výzkum exoskeletonu pro využití v rehabilitaci

Projekt rozvíjí společné výzkumné kapacity v oblasti aplikovaného výzkumu, zaměřuje se na vývoj zkušebního prototypu nejmodernějšího exoskeletu dolní končetiny pro rehabilitační účely s využitím inovací v designu, konstrukčních technologiích, 3D tisku a brain-computer interface (převodu mozkových signálů do pohybu končetin). Projekt zároveň posiluje společné výzkumné kapacity technologického transferu v rehabilitačních a protetických oborech. Projekt bude realizovat konsorcium partnerů prostřednictvím multidisciplinárního výzkumného týmu. Partneři budou spolupracovat na všech aktivitách, budou si sdílet výzkumné know-how a využívat společné výzkumné kapacity v souladu s prioritami RIS3 a Hightech Agendy. Jedná se o výzkumné týmy THD Deggendorf/Fakulta zdravotnických studií, Fakulta designu a umění Ladislava Sutnara, Fakulta aplikovaných věd a Fakulta strojní/RTI. Do projektu bude zapojeno také 5 asociovaných partnerů z praxe. Projekt má silný inovační potenciál a jeho výstupy mohou najít uplatnění v aplikační sféře u malých a středních podniků zaměřených na rehabilitaci a protetiku v česko-bavorském regionu. Realizace je naplánována na 36 měsíců.

Das Projekt entwickelt kooperative Forschungskapazitäten im Bereich der angewandten Forschung und konzentriert sich auf die Entwicklung eines hochmodernen Prototyps eines Exoskeletts für die unteren Gliedmaßen zu Rehabilitationszwecken unter Verwendung von Innovationen in den Bereichen Design, Konstruktionstechnologien, 3D-Druck und Gehirn-Computer-Schnittstelle (Umwandlung von Gehirnsignalen in Bewegungen der Gliedmaßen). Das Projekt stärkt auch die gemeinsamen Forschungskapazitäten für den Technologietransfer in den Bereichen Rehabilitation und Prothesen. Das Projekt wird von einem Konsortium von Partnern durch ein multidisziplinäres Forschungsteam durchgeführt. Die Partner werden bei allen Aktivitäten zusammenarbeiten, Forschungs-Know-how austauschen und gemeinsame Forschungskapazitäten im Einklang mit den Prioritäten von RIS3 und der Hightech-Agenda nutzen. Es handelt sich um die ForschungsteamsTHD Deggendorf/TC Cham,TC Bad Kötzting,TC Hutthurm und ZČU in Pilsen-Fakultät für Gesundheitswissenschaften,Fakultät für Design und Kunst Ladislav Sutnar,Fakultät für angewandte Wissenschaften und Fakultät für Ingenieurwissenschaften/RTI. An dem Projekt werden auch 5 assoziierte Partner aus der Praxis beteiligt sein. Das Projekt hat ein starkes innovatives Potenzial und seine Ergebnisse können im Anwendungsbereich kleiner und mittlerer Unternehmen mit Schwerpunkt auf Rehabilitation und Prothetik in der tschechisch-bayerischen Region Anwendung finden. Die Umsetzung dauert 36 Monate.

The project develops collaborative research capabilities in the field of applied research, focusing on the development of a state-of-the-art lower limb exoskeleton prototype for rehabilitation purposes using innovations in design, construction technologies, 3D printing and brain-computer interface (conversion of brain signals into limb movement). The project also strengthens joint research capacity for technology transfer in the rehabilitation and prosthetic fields (lower limb trauma patients, stroke patients, etc.). The project will be implemented by a consortium of partners through a multidisciplinary research team. The partners will collaborate on all activities, share research know-how and use common research capacities in line with RIS3 and High-Tech Agenda priorities. These are the research teams of THD Deggendorf/TC Cham, GC Bad Kötzting, TC Hutthurm and ZČU in Pilsen (Faculty of Health Studies, Ladislav Sutnar Faculty of Design and Art, Faculty of Applied Sciences and Faculty of Mechanical Engineering/RTI. The project will also involve 5 associated partners from practice, which will enable testing of the prototype exoskeleton on a selected group of patients. The project has a strong innovative potential, and its outputs may find application in the application sphere of small and medium-sized enterprises focused on rehabilitation and prosthetics in the Czech-Bavarian region. The project implementation is planned for 36 months.

Projekt vývoje inovativního exoskeletu pro dolní končetiny dosáhl v první fázi realizace slibného pokroku. Během sledovaného období byly definováním klíčových konceptů a systémů položeny základy pro další vývoj. Cílem bylo položit pevné základy pro nadcházející fáze projektu a tento krok byl úspěšně dokončen. Dosažené cíle a výstupy 1. Definice inteligentního řídicího systému Významným krokem vpřed v této fázi byl vývoj koncepce inteligentního řídicího systému. Tento systém je založen na integraci moderních technologií, včetně rozhraní mozek-počítač (BCI), pro přesné ovládání pohybů dolních končetin. Počáteční návrhy řídicího systému byly úspěšně vyvinuty a vyladěny. 2. Vývoj mechanické a elektronické koncepce Tým definoval základní koncepty mechaniky a elektroniky exoskeletu. Mezi ně patří např: - Robustní, ale lehká konstrukce pro optimální pohyblivost a pohodlí při nošení. - Integrace moderních senzorů a aktuátorů, které umožňují přesné a citlivé ovládání. - Mechanické komponenty, které jsou přizpůsobeny požadavkům cílové skupiny a podporují používání exoskeletu v každodenním životě. 3. Koncepce rozhraní mozek-počítač (BCI) Zavedení systému BCI je inovativní součástí projektu. Koncepce tohoto systému byla úspěšně vytvořena a definována, včetně umístění elektrod, metod zpracování a integrace rozhraní s exoskeletem. To představuje rozhodující krok k uživatelsky přívětivému a účinnému ovládání. 4. Sloučení multidisciplinárních přístupů V této fázi se podařilo spojit různé obory - mechaniku, elektroniku, řídicí systémy a rehabilitaci. To umožnilo koordinovat koncepty na mezioborovém základě a zajistit, aby všechny komponenty spolu bez problémů ladily. Přidaná hodnota spolupráce Spolupráce mezi německými a českými partnery projektu se v této rané fázi ukázala jako mimořádně efektivní. Spojením odborných znalostí z různých oborů a zemí se projektovému týmu podařilo vyvinout inovativní řešení a zajistit, aby koncepty byly orientované na praxi a vědecky podložené. Mezi přínosy spolupráce patří - Efektivní sdílení znalostí: partnerské instituce spojily své odborné znalosti, což zvýšilo kvalitu a rychlost vývoje koncepcí. - Integrace potřeb uživatelů: Úzká spolupráce s přidruženými partnery a společný výzkum pomohly zajistit, aby plánovaná řešení byla v souladu s požadavky budoucích uživatelů. Klíčové úspěchy pro širokou veřejnost - Pokročilá technologie: Kombinace BCI a inteligentních řídicích systémů vytváří základ pro nejmodernější exoskelet. - Návrh zaměřený na uživatele: Definované koncepty zajišťují, že konečný výrobek je uživatelsky přívětivý, bezpečný a účinný. - Mezinárodní spolupráce: Projekt ukazuje, jak může přeshraniční spolupráce vést k průkopnickým technologiím. Shrnutí První fáze realizace projektu položila důležité základy. Definované koncepty inteligentního řídicího systému, mechaniky, elektroniky a BCI položily základ pro další fázi vývoje. Projektový tým prokázal, že mezioborová a mezinárodní spolupráce je pro úspěch takto složitých projektů nezbytná. Díky těmto výsledkům může projekt s důvěrou očekávat další fázi vývoje a možnost realizace definovaných konceptů v prototypech. Projekt vývoje inovativního exoskeletu pro dolní končetiny postoupil z plánovací a koncepční fáze k prvním funkčním prototypům a rané systémové integraci. Na základě výsledků prvního období byly dosaženy významné pokroky v oblasti mechanické konstrukce, řídicích systémů a rehabilitačně orientovaného návrhu. Prototyp kolenní jednotky Konstrukce, validace a první iterace mechanismu kolenního kloubu byly úspěšně dokončeny. Systém nyní umožňuje řízený rozsah pohybu až 120 stupňů, což odpovídá klinickým požadavkům pro rehabilitační cvičení. Klíčovým prvkem konstrukce je odnímatelná motorová jednotka, která umožňuje použití zařízení jako aktivního exoskeletu i v pozdějších terapeutických fázích jako pasivní ortézy. Vývoj inteligentního řídicího systému Motorová jednotka byla implementována s využitím mikrokontroléru a komunikace CAN. Pro zpřístupnění systému uživatelům a terapeutům byla vyvinuta grafická uživatelská rozhraní (GUI), umožňující volbu rehabilitačních rutin, nastavení pohybových úhlů a sledování výkonu motoru v reálném čase. Do systému byla integrována také inerciální měřicí jednotka (IMU), která poskytuje přesnou zpětnou vazbu o pohybu a zvyšuje odezvu i bezpečnost. IMU navíc vytváří prostor pro budoucí rozšíření o adaptivní funkcionality. Integrace rehabilitačních a etických požadavků Ve spolupráci s fyzioterapeutickými partnery byla definována terapeutická schémata pro přípravu budoucích aplikací u pacientů. Byl navržen rámec pro ochranu osobních údajů a správu dat, který zajišťuje bezpečné nakládání s pacientskými informacemi. Rehabilitační centra byla konzultována za účelem přípravy budoucích testů a klinické spolupráce. Přeshraniční a interdisciplinární spolupráce Workshopy a pravidelná setkání spojila odborníky z různých oblastí a zajistila, že projekt kontinuálně čerpal znalosti z mechaniky, elektroniky, řídicích systémů i rehabilitačních věd. Tento kolaborativní přístup umožnil sladění všech komponent a připravil půdu pro další kroky ve vývoji prototypu a testování. Přidaná hodnota této spolupráce byla znovu zřejmá. Spojením odborných znalostí z různých disciplín a regionů mohl projekt postupovat rychleji a efektivněji a zajistit, že exoskelet splňuje technické i klinické požadavky. Pro širší veřejnost je nejdůležitějším výsledkem to, že projekt přinesl první reálné prototypy a překročil tak hranici teoretických konceptů směrem k hmatatelným výsledkům. Modulární konstrukce, včetně odnímatelné motorové jednotky, činí exoskelet adaptabilním pro různé fáze rehabilitace. Etická a klinická připravenost byla podpořena opatřeními pro ochranu dat, terapeutickými protokoly a zapojením rehabilitačních center. Projekt zároveň ukazuje, jak může mezinárodní spolupráce úspěšně přeměnit pokročilý výzkum v praktické, na pacienta orientované inovace. Shrnutí: Druhé zprávové období přineslo první funkční prototypy a potvrdilo technické i klinické koncepty. Spojením inženýrských znalostí s rehabilitační expertizou je projekt nyní připraven na testy bezpečnosti a použitelnosti – zásadní krok směrem k budoucí integraci exoskeletu do klinické praxe.

Das Projekt zur Entwicklung eines innovativen Exoskeletts für die unteren Gliedmaßen hat in der ersten Phase der Implementierung vielversprechende Fortschritte gemacht. Während der Berichtsperiode wurden die Grundlagen für die weitere Entwicklung geschaffen, indem wesentliche Konzepte und Systeme definiert wurden. Ziel war es, eine solide Basis für die kommenden Projektphasen zu legen, und dieser Schritt wurde erfolgreich abgeschlossen. Erreichte Ziele und Outputs 1. Definition des intelligenten Steuerungssystems Ein wesentlicher Fortschritt in dieser Phase war die Entwicklung des Konzepts für das intelligente Steuerungssystem. Dieses System basiert auf der Integration moderner Technologien, einschließlich eines Brain-Computer-Interface (BCI), um die Bewegungen der unteren Gliedmaßen präzise zu steuern. Die ersten Entwürfe des Steuerungssystems wurden erfolgreich entwickelt und abgestimmt. 2. Entwicklung der mechanischen und elektronischen Konzepte Das Team hat die Grundkonzepte für die Mechanik und Elektronik des Exoskeletts definiert. Diese beinhalten: - Eine robuste, aber leichte Struktur für optimale Beweglichkeit und Tragekomfort. - Integration moderner Sensoren und Aktuatoren, die eine präzise und reaktionsschnelle Steuerung ermöglichen. - Mechanische Komponenten, die auf die Anforderungen der Zielgruppe zugeschnitten sind und die Nutzung des Exoskeletts im Alltag unterstützen. 3. Konzept für das Brain-Computer-Interface (BCI) Die Implementierung eines BCI-Systems ist ein innovativer Bestandteil des Projekts. Das Konzept für dieses System wurde erfolgreich erstellt und definiert, einschließlich der Platzierung der Elektroden, der Verarbeitungsmethoden und der Schnittstellenintegration mit dem Exoskelett. Dies stellt einen entscheidenden Schritt in Richtung einer benutzerfreundlichen und effizienten Steuerung dar. 4. Zusammenführung der multidisziplinären Ansätze In dieser Phase wurden die unterschiedlichen Fachrichtungen – Mechanik, Elektronik, Steuerungssysteme und Rehabilitation – erfolgreich zusammengeführt. Dies ermöglichte es, die Konzepte interdisziplinär abzustimmen und sicherzustellen, dass alle Komponenten nahtlos miteinander harmonieren. Mehrwert der Zusammenarbeit Die Zusammenarbeit zwischen den deutschen und tschechischen Projektpartnern hat sich in dieser frühen Phase als äußerst effektiv erwiesen. Durch die Kombination von Expertise aus verschiedenen Disziplinen und Ländern konnte das Projektteam innovative Lösungen entwickeln und sicherstellen, dass die Konzepte praxisorientiert und wissenschaftlich fundiert sind. Zu den Vorteilen der Zusammenarbeit zählen: - Effizienter Wissensaustausch: Die Partnerinstitutionen haben ihr Fachwissen gebündelt, was die Qualität und Geschwindigkeit der Konzeptentwicklung verbessert hat. - Integration von Benutzerbedürfnissen: Die enge Zusammenarbeit mit assoziierten Partnern und die gemeinsame Forschung haben dazu beigetragen, dass die geplanten Lösungen auf die Anforderungen der zukünftigen Nutzer ausgerichtet sind. Wichtigste Erfolge für ein breites Publikum - Fortschrittliche Technologie: Die Kombination von BCI und intelligenten Steuerungssystemen schafft die Grundlage für ein hochmodernes Exoskelett. - Anwenderorientiertes Design: Die definierten Konzepte stellen sicher, dass das Endprodukt benutzerfreundlich, sicher und effektiv ist. - Internationale Kooperation: Das Projekt zeigt, wie durch grenzüberschreitende Zusammenarbeit zukunftsweisende Technologien entstehen können. Zusammenfassung Die erste Phase der Projektimplementierung hat wichtige Grundlagen geschaffen. Die definierten Konzepte für das intelligente Steuerungssystem, die Mechanik, die Elektronik und das BCI legen den Grundstein für die nächste Entwicklungsphase. Das Projektteam hat bewiesen, dass eine interdisziplinäre und internationale Zusammenarbeit wesentlich für den Erfolg solcher komplexen Vorhaben ist. Mit diesen Ergebnissen blickt das Projekt zuversichtlich auf die kommende Entwicklungsphase und die Möglichkeit, die definierten Konzepte in Prototypen umzusetzen. Das Projekt zur Entwicklung eines innovativen Exoskeletts für die unteren Gliedmaßen hat sich von der Planungs- und Konzeptphase zu ersten funktionierenden Prototypen und einer frühen Systemintegration weiterentwickelt. Aufbauend auf den Grundlagen des ersten Berichtszeitraums wurden bedeutende Fortschritte in den Bereichen Mechanik, Steuerungssysteme und rehabilitationsorientiertes Design erzielt. 1. Prototyp der Kniegelenkseinheit Die Konstruktion, Validierung und ersten Iterationen des Kniegelenkmechanismus wurden erfolgreich abgeschlossen. Das System ermöglicht nun einen kontrollierten Bewegungsbereich von bis zu 120 Grad, was den klinischen Anforderungen für Rehabilitationsübungen entspricht. Ein zentrales Merkmal des Designs ist die abnehmbare Motoreinheit, die es ermöglicht, das Gerät sowohl als aktives Exoskelett als auch in späteren Therapiephasen als passive Orthese zu verwenden. 2. Entwicklung des intelligenten Steuerungssystems Eine Motoreinheit wurde unter Verwendung eines Mikrocontrollers und CAN-Kommunikation implementiert. Um das System für Nutzer und Therapeuten zugänglich zu machen, wurde eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) entwickelt, die die Auswahl von Routinen, die Anpassung von Bewegungswinkeln und die Echtzeitüberwachung der Motorleistung ermöglicht. Eine inertiale Messeinheit (IMU) wurde ebenfalls integriert, um präzises Bewegungsfeedback zu liefern und die Reaktionsfähigkeit sowie Sicherheit zu verbessern. Die IMU bietet zudem Möglichkeiten für zukünftige Erweiterungen und adaptive Funktionen. 3. Integration von Rehabilitations- und ethischen Anforderungen Therapieprotokolle wurden gemeinsam mit Physiotherapiepartnern definiert, um zukünftige Anwendungen mit Patienten vorzubereiten. Ein Rahmenwerk für Datenschutz und Datenmanagement wurde geplant, um die sichere Handhabung patientenbezogener Informationen zu gewährleisten. Darüber hinaus wurden Rehabilitationszentren konsultiert, um Möglichkeiten für zukünftige Tests und klinische Kooperationen zu erkunden. 4. Grenzüberschreitende und interdisziplinäre Zusammenarbeit Workshops und regelmäßige Treffen brachten Fachleute aus verschiedenen Bereichen zusammen und stellten sicher, dass das Projekt kontinuierlich Wissen aus Mechanik, Elektronik, Steuerungssystemen und Rehabilitationswissenschaften vereinte. Dieser kollaborative Ansatz half dabei, alle Komponenten aufeinander abzustimmen und bereitete den Boden für die nächsten Schritte in der Prototypenentwicklung und Testphase. Der Mehrwert dieser Zusammenarbeit wurde erneut deutlich. Durch die Bündelung von Fachwissen aus verschiedenen Disziplinen und Regionen konnte das Projekt schneller und effektiver voranschreiten und sicherstellen, dass das Exoskelett sowohl technischen als auch klinischen Anforderungen gerecht wird. Für ein breiteres Publikum ist die wichtigste Errungenschaft, dass das Projekt die ersten realen Prototypen geliefert hat und damit über Konzepte hinaus zu greifbaren Ergebnissen gelangt ist. Das modulare Design, einschließlich der abnehmbaren Motoreinheit, macht das Exoskelett anpassbar an verschiedene Rehabilitationsphasen. Die ethische und klinische Bereitschaft wurde durch Datenschutzmaßnahmen, Therapieprotokolle und die Einbindung von Rehabilitationszentren unterstützt. Vor allem zeigt das Projekt, wie internationale Zusammenarbeit fortschrittliche Forschung erfolgreich in praktische, patientenorientierte Innovationen umwandeln kann. Zusammenfassend hat diese zweite Berichtsphase die ersten funktionierenden Prototypen hervorgebracht und sowohl technische als auch klinische Konzepte bestätigt. Durch die Kombination von ingenieurtechnischem Know-how mit Rehabilitationswissen ist das Projekt nun bereit für Sicherheits- und Gebrauchstauglichkeitstests – ein entscheidender Schritt, um das Exoskelett künftig in die klinische Praxis zu integrieren.

The project for the development of innovative exoskeletons for the lower limbs has made promising progress in the first phase of implementation. During the reporting period, the foundations for further development were laid by defining key concepts and systems. The aim was to lay a solid foundation for the upcoming phases of the project and this step was successfully completed. Achieved objectives and outputs 1. Definition of intelligent control system The development of the intelligent control system concept was an important step forward at this stage. This system is based on the integration of modern technologies, including the Brain-Computer Interface (BCI), for precise control of lower limb movements. Initial control system designs have been successfully developed and tuned. 2. Development of mechanical and electronic concepts The team defined the basic concepts of exoskeleton mechanics and electronics. These include, for example: - Robust yet lightweight construction for optimal mobility and wearing comfort. - Integration of modern sensors and actuators that enable precise and responsive control. Mechanical components that are tailored to the requirements of the target group and support the use of exoskeletons in everyday life. 3. Brain-Computer Interface (BCI) Concept The introduction of the BCI system is an innovative part of the project. The concept of this system has been successfully created and defined, including the placement of electrodes, methods of processing and integration of the interface with the exoskeleton. This is a decisive step towards user-friendly and efficient operation. 4. Merging multidisciplinary approaches At this stage, we managed to combine various disciplines - mechanics, electronics, control systems and rehabilitation. This made it possible to coordinate concepts on an interdisciplinary basis and ensure that all components work seamlessly together. Added value of cooperation Cooperation between German and Czech project partners proved to be extremely effective at this early stage. By bringing together expertise from different disciplines and countries, the project team has managed to develop innovative solutions and ensure that concepts are practice-oriented and science-based. Benefits of cooperation include: - Effective knowledge sharing: partner institutions pooled their expertise, increasing the quality and speed of concept development. Integration of user needs: Close cooperation with associated partners and joint research have helped to ensure that the planned solutions are in line with the requirements of future users. Key achievements for the general public - Advanced technology: The combination of BCI and intelligent control systems forms the basis for a state-of-the-art exoskeleton. - User-centric design: Defined concepts ensure that the final product is user-friendly, safe and efficient. - International cooperation: The project shows how cross-border cooperation can lead to pioneering technologies. Summary The first phase of the project laid important foundations. The defined concepts of intelligent control system, mechanics, electronics and BCI laid the foundation for the next stage of development. The project team has demonstrated that interdisciplinary and international cooperation is essential for the success of such complex projects. Thanks to these results, the project can confidently expect the next stage of development and the possibility of implementing defined concepts in prototypes.