Funk­ti­ons­wei­se und ers­te Resul­ta­te zur Anwen­dung und Zufrie­den­heit mit einem neu­en myo­elek­tri­schen Greifer

N. Wismer, Ch. Ledinger, M. Wehrle
Mit dem neuen „AxonHook“, einem myoelektrischen Greifer, wird ein ergänzendes Arbeitsgerät zur Michelangelo-Hand vorgestellt. Sowohl durch die Formgebung der beiden Haken und deren Ummantelung mit Polyurethan als auch durch die hohe Griffkraft werden mehrere Anforderungen an einen leistungsstarken und präzisen Greifer für kleine und große Gegenstände berücksichtigt. In ersten Testversorgungen bestätigen die Anwender ihre Zufriedenheit bezüglich der Funktionalität des AxonHook in alltäglichen und beruflichen Anwendungsbereichen.

Ein­lei­tung

Der Axon­Hook (Abb. 1; tech­ni­sche Infor­ma­tio­nen in Tab. 1) ist eine myo­elek­tri­sche Ergän­zungs­ver­sor­gung zur Michel­an­ge­lo-Hand und somit im Gegen­satz zu den Ver­sor­gungs­al­ter­na­ti­ven „DMC-VariPlus-Grei­fer“ von Otto­bock und „ETD Hook“ von Moti­on Con­trol für das Axon-Bus-Pro­the­sen­sys­tem kon­zi­piert. Durch das modu­la­re Pro­the­sen­sys­tem kann der Anwen­der selbst­stän­dig zwi­schen dem Axon­Hook und der Michel­an­ge­lo-Hand wech­seln. Der Grei­fer wur­de ent­wi­ckelt, um Pro­the­sen­trä­gern im Unter- und Ober­arm­be­reich zusätz­li­che Funk­tio­nen und Mög­lich­kei­ten zu bie­ten. Ins­be­son­de­re kön­nen Anwen­der mit hohen Ansprü­chen an Prä­zi­si­on und Geschick­lich­keit bei fein­mo­to­ri­schen oder kraft­vol­len Grei­fak­ti­vi­tä­ten davon pro­fi­tie­ren. Die Aus­le­gung des Designs ori­en­tiert sich an kraft­zug­gesteu­er­ten Pro­the­sen. Nur eine der bei­den Haken­spit­zen wird beim Öff­nen und Schlie­ßen durch einen Motor bewegt. Dadurch wird dem Anwen­der ein zuver­läs­si­ges und prä­zi­ses Greif­ver­hal­ten ermög­licht. In die­sem Arti­kel wer­den die wich­tigs­ten tech­ni­schen Kon­zep­te und Funk­tio­nen des Grei­fers zusam­men­ge­fasst und die Resul­ta­te der ers­ten Test­ver­sor­gun­gen vorgestellt.

Kon­zept und Funktionen

Greif­ha­ken

Die Form­ge­bung der Greif­ha­ken wur­de so gewählt, dass der Axon­Hook das Grei­fen sowohl von klei­nen als auch von gro­ßen Gegen­stän­den ver­bes­sert und damit dem Anwen­der ein mög­lichst brei­tes Spek­trum an Mög­lich­kei­ten bie­tet. Das schlan­ke Design der Greif­ha­ken erlaubt dem Anwen­der gegen­über dem DMC-VariPlus-Grei­fer einer­seits ver­bes­ser­te Sicht auf die Haken­spit­zen, wodurch das Posi­tio­nie­ren des Axon­Hook auf den zu grei­fen­den Gegen­stand erleich­tert wird, und ande­rer­seits das Grei­fen in tie­fe Gegen­stän­de wie zum Bei­spiel in eine Kis­te. Die gebo­ge­ne Form der Haken hat im All­tag wei­ter­hin den Vor­teil, dass Gegen­stän­de mit einer Schlau­fe, einem Stab oder Ähn­li­chem mit hän­gen­dem Arm ohne Greif­be­we­gung trans­por­tiert wer­den können.

Um Gegen­stän­de sicher zu grei­fen, wird bei klei­nen Gegen­stän­den ein opti­ma­ler Form­schluss, bei gro­ßen und run­den Gegen­stän­den dage­gen hin­rei­chend Rei­bung benö­tigt. Bei­des wird beim Axon­Hook an den Haken durch eine Umman­te­lung aus Poly­ure­than erreicht, das eine beson­ders hohe Abrieb­fes­tig­keit auf­weist. Dadurch kön­nen Gegen­stän­de mit einem Durch­mes­ser bis zu 125 mm sicher gegrif­fen und gehal­ten wer­den. Die voll­stän­di­ge Umman­te­lung bie­tet nicht nur Sicher­heit beim Grei­fen, son­dern auch beim Posi­tio­nie­ren von Gegen­stän­den auf dem Rücken des Axon­Hook oder bei der Mani­pu­la­ti­on von Gegen­stän­den mit der Hand­kan­te (Abb. 2). Bei Bedarf kön­nen die Haken durch den Ortho­­pä­die-Tech­ni­ker getauscht werden.

Gleich­zei­tig ist das Design auf maxi­ma­le Struk­tur­fes­tig­keit aus­ge­legt, was dem Anwen­der hohe Sicher­heit vor Bruch beim Heben schwe­rer Las­ten bie­tet. Dafür wird Titan ver­wen­det, das durch ein Gieß-Sin­ter­ver­fah­ren in Form gebracht wird. Zur Kon­trol­le der Fer­ti­gungs­er­geb­nis­se wur­de unter ande­rem die Com­pu­ter­to­mo­gra­phie ein­ge­setzt. Durch den ange­wen­de­ten Leicht­bau wiegt der Grei­fer inklu­si­ve Hand­ge­lenk nur 400 g.

Griff­kraft

Bei einem prä­zi­sen Griff kann die mensch­li­che Hand eine durch­schnitt­li­che Griff­kraft von bis zu 95,6 N errei­chen 1. Laut Hecka­thor­ne et al. ist eine Griff­kraft von 65 N not­wen­dig, um All­tags­ak­ti­vi­tä­ten aus­füh­ren zu kön­nen 2. Der Axon­Hook über­trifft bei­de Wer­te deut­lich mit einer Griff­kraft an den Haken­spit­zen von 110 N. Damit weist er auch eine höhe­re Griff­kraft als die Michel­an­ge­lo-Hand mit 70 N auf 3 . Über die pro­por­tio­na­le Myo­steue­rung sind aber auch deut­lich gerin­ge­re Kräf­te regel­bar. Dank der Selbst­hem­mung des Getrie­bes bleibt die Griff­kraft nach Abschal­tung des Motors erhal­ten. Damit hat der Anwen­der Gegen­stän­de selbst dann fest im Griff, wenn die Mus­keln nach dem Schlie­ßen ent­spannt wer­den. Zudem garan­tie­ren wei­te­re imple­men­tier­te Strom­spar­maß­nah­men dem Anwen­der eine mög­lichst hohe Nut­zungs­dau­er. So wird 300 Mil­li­se­kun­den nach Still­stand des Motors der „Low-Power-Modus“ akti­viert, wodurch der Strom­ver­brauch auf ein Drit­tel im Ver­gleich zum nor­ma­len Betriebs­mo­dus redu­ziert wer­den kann.

Der late­ra­le Haken ist fest­ste­hend, wäh­rend der media­le Haken die Greif­be­we­gung aus­führt, was die Dau­men­be­we­gung der mensch­li­chen Hand wie z. B. beim Prä­zi­si­ons­griff nach­ahmt. Dadurch wird dem Anwen­der ein prä­zi­ses Greif­ver­hal­ten erleich­tert, das beson­ders bei fein­mo­to­ri­schen Tätig­kei­ten rele­vant ist. Herz­stück des Antriebs ist ein leis­tungs­star­ker bürs­ten­lo­ser Motor, der eine fei­ne und kraft­vol­le Ansteue­rung ermög­licht. Der Antriebs­strang des Grei­fers kommt gänz­lich ohne Schalt­stu­fe aus, Lager­stel­len wur­den zum Bei­spiel als Paa­run­gen von Kera­mikach­sen mit gehär­te­ten Stahl­buch­sen aus­ge­legt, die Steue­rung kommt mit einer ein­fa­chen Sen­so­rik zur Detek­ti­on von Motor­dreh­zahl und Strom­ver­brauch aus. Aus die­sen zwei Para­me­tern wird die Öff­nungs­wei­te, ver­wen­det bei der auto­ma­ti­schen Neu­tral­po­si­ti­on oder der akti­ven Kon­tak­ter­ken­nung, ermit­telt. Um zusätz­lich gegen Umwelt­ein­flüs­se des All­tags geschützt zu sein, ist die Elek­tro­nik- und Getrie­be­box nach Schutz­klas­se IP33 abgedichtet.

Fle­xi­ons­hand­ge­lenk

Ein wich­ti­ges Merk­mal des Axon­Hook ist das Fle­xi­ons­hand­ge­lenk, das sich bereits bei der Michel­an­ge­lo-Hand bewährt hat. Es konn­te gezeigt wer­den, dass die Michel­an­ge­lo-Hand auf­grund des akti­ven Dau­mens in Kom­bi­na­ti­on mit dem Fle­xi­ons­hand­ge­lenk akti­ver und bei mehr All­tags­ak­ti­vi­tä­ten ein­ge­setzt wird 4. Der fle­xi­ble Modus des Fle­xi­ons­hand­ge­lenks unter­stützt phy­sio­lo­gisch kor­rek­te Bewe­gungs­ab­läu­fe und redu­ziert Aus­gleichs­be­we­gun­gen im Schul­ter­be­reich 5. Im fixier­ten Modus bie­tet es die Stei­fig­keit, die für hoch­prä­zi­se Greif- und Mani­pu­la­ti­ons­auf­ga­ben not­wen­dig ist. Eben­falls von der Michel­an­ge­lo-Hand über­nom­men wur­de die Neu­tral­po­si­ti­on: Wird das Greif­ge­rät kom­plett geöff­net und kein wei­te­res Myo­si­gnal ange­legt, fährt der Grei­fer auto­ma­tisch lang­sam in eine leicht geöff­ne­te Stel­lung. Das erleich­tert dem Anwen­der zu wis­sen, in wel­cher Öff­nungs­stel­lung sich der Grei­fer befin­det. Gleich­zei­tig ist in die­sem Modus die Kon­tak­ter­ken­nung aktiv, die beim Berüh­ren eines Gegen­stan­des zwi­schen den bei­den Haken die Bewe­gung sofort stoppt und den Gegen­stand mit gerin­ger Griff­kraft hält. Somit kann die rück­füh­ren­de Bewe­gung in die Neu­tral­po­si­ti­on auch dazu genutzt wer­den, gezielt einen sen­si­blen Gegen­stand mit gerin­ger Griff­kraft zu greifen.

Axon-Bus-Kom­po­nen­te

Das Akro­nym „Axon“ steht für „adap­ tive exchan­ge of neu­ro­pla­ce­ment data“. Die Tech­no­lo­gie stammt ursprüng­lich aus der Luft­fahrt und der Auto­mo­bil­in­dus­trie und wur­de erst­ma­lig von Otto­bock im Bereich Exo­pro­the­tik ver­wen­det. Im Gegen­satz zu kon­ven­tio­nel­len Pro­the­sen­sys­te­men ermög­licht der Axon-Bus dem Sys­tem, sich an die jeweils ange­schlos­se­ne Kom­bi­na­ti­on von Kom­po­nen­ten anzu­pas­sen. Die Bus-Topo­lo­gie gewähr­leis­tet zudem eine ein­fa­che nach­träg­li­che Erwei­te­rung des Sys­tems durch zusätz­li­che Pro­duk­te wie z. B. eine akti­ve Rota­ti­on oder den Axon­Hook. Durch die lau­fen­de Kom­mu­ni­ka­ti­on aller Pro­the­sen­kom­po­nen­ten kön­nen Feh­ler erkannt und ent­spre­chend dar­auf reagiert wer­den. Des Wei­te­ren wird dadurch die zen­tra­le Kon­fi­gu­ra­ti­on des gesam­ten Sys­tems über eine ein­zel­ne Blue­tooth-Ver­bin­dung ermöglicht.

Ers­te Ergeb­nis­se und Erfah­run­gen mit dem neu­en Greifer

Wäh­rend fünf Axon­Hook-Ver­sor­gun­gen wur­den sowohl von den Anwen­dern als auch von den jewei­li­gen Ortho­pä­die-Tech­ni­kern die ers­ten kli­ni­schen Daten in Bezug auf Funk­tio­na­li­tät, Ver­wen­dung im All­tag und Zufrie­den­heit gesam­melt. Zur Daten­samm­lung wur­den Fra­ge­bö­gen ver­wen­det. Wo mög­lich, wur­den für die Ant­wort­mög­lich­kei­ten 4‑Punkt-Likert-Ska­len ver­wen­det. Zur Ana­ly­se wur­de die deskrip­ti­ve Sta­tis­tik angewendet.

Bei den Anwen­dern han­del­te es sich um vier uni­la­te­ral ampu­tier­te und eine bila­te­ral unter­ar­mam­pu­tier­te Per­son. Zwei Anwen­der waren vor dem Axon­Hook mit dem VariPlus-Grei­fer von Otto­bock ver­sorgt, ein Anwen­der mit dem ETD Hook von Moti­on Con­trol, ein Anwen­der hat­te kei­ne Erfah­rung mit Grei­fern. Von einem Anwen­der fehl­te die­se Information.

Die Bewer­tung der Funk­tio­na­li­tät des Axon­Hook im Ver­gleich zur vor­he­ri­gen Pro­the­se durch den ver­sor­gen­den Ortho­pä­die-Tech­ni­ker kann Abbil­dung 3 ent­nom­men wer­den. Alle abge­frag­ten Eigen­schaf­ten wur­den durch­schnitt­lich als ver­bes­sert bewer­tet. Am posi­tivs­ten wur­de die Abmes­sung bewer­tet, was auf die Form­ge­bung der Greif­spit­zen zurück­zu­füh­ren ist. Am wenigs­ten posi­tiv wur­de die Laut­stär­ke des neu­en Grei­fers bewer­tet. Im Ver­gleich zum VariPlus-Grei­fer und dem ETD Hook wur­den alle Funk­tio­na­li­tä­ten mit dem Axon­Hook von den Ortho­pä­die-Tech­ni­kern als ver­bes­sert bewer­tet, mit Aus­nah­me der Betriebsdauer.

Die Anwen­der berich­te­ten, dass sie den Grei­fer im Durch­schnitt über 6 Stun­den pro Tag ver­wen­det haben.Dabei konn­ten, abhän­gig von der beruf­li­chen Tätig­keit, gro­ße Vari­an­zen im Bereich zwi­schen 2 und 15 Stun­den fest­ge­stellt wer­den. Die Wich­tig­keit des Axon­Hook neben der Michelan­ge-lo-Hand wur­de durch­schnitt­lich mit 1,6 Punk­ten auf einer Ska­la von 1 für „sehr wich­tig“ bis 4 für „nicht wich­tig“ bewer­tet. Die auf­ge­zähl­ten Akti­vi­tä-ten beinhal­te­ten haupt­säch­lich hand­werk­li­che Arbei­ten wie zum Bei­spiel das Arbei­ten in einem land­wirt­schaft­li­chen Betrieb, Schrei­ner­ar­bei­ten oder Gartenarbeiten.

Die Resul­ta­te bezüg­lich der Zufrie­den­heit der Anwen­der mit ver­schie­de­nen Aspek­ten sind in Abbil­dung 4 dar­ge­stellt. Bei der Cha­rak­te­ris­tik des Axon­Hook wur­den die Abmes­sun­gen (Grö­ße und Form der Haken) und das Gewicht am posi­tivs­ten bewer­tet (A). Hin­sicht­lich der Funk­tio­na­li­tät wur­den alle drei Fak­to­ren (Griff­kraft, Ansteue­rung und Geschwin­dig­keit) mit hoher Zufrie­den­heit und Punk­ten von 1,3 bis 1,5 bewer­tet (B). Das Grei­fen gro­ßer Gegen­stän­de wur­de mit 0,9 Punk­ten, das Grei­fen klei­ner Gegen­stän­de mit 1,1 Punk­ten bewer­tet. Gegen­über dem VariPlus-Grei­fer wur­den mit dem Axon-Hook die Funk­tio­nen Ansteue­rung und Griff­kraft mit 1,5 Punk­ten als größ­ter Vor­teil bewer­tet. Ein­zig bei der Bewer­tung der Grei­fak­ti­vi­tä­ten konn­ten klei-ne Unter­schie­de zwi­schen Axon­Hook und VariPlus-Grei­fer beob­ach­tet wer­den. Gegen­über dem ETD Hook wur­den alle Cha­rak­te­ris­ti­ken, Funk­tio­na­li­tä­ten und Grei­fak­ti­vi­tä­ten mit 1,5 Punk­ten als ver­bes­sert bewertet.

Fazit

Der Axon­Hook wur­de von den Anwen­dern als wich­ti­ge zusätz­li­che Pro­the­sen­kom­po­nen­te neben der Michel­an­ge­lo-Hand bewer­tet, die haupt­säch­lich für hand­werk­li­che All­tags­ak­ti­vi­tä­ten ein­ge­setzt wird. Mit den ers­ten Erfah­run­gen im Feld konn­te eine hohe Anwen­der­zu­frie­den­heit in Bezug auf die Eigen­schaf­ten und die Griff­kraft des neu­en Grei­fers fest­ge­stellt werden.

Für die Autoren:
Nadi­ne Wis­mer, M. Sc.
Otto­bock Health­ca­re Pro­ducts GmbH
Brehm­stra­ße 16
A‑1110 Wien
nadine.wismer@ottobock.com

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Wis­mer N, Ledin­ger Ch, Wehr­le M. Funk­ti­ons­wei­se und ers­te Resul­ta­te zur Anwen­dung und Zufrie­den­heit mit einem neu­en myo­elek­tri­schen Grei­fer. Ortho­pä­die Tech­nik. 2017; 67 (5): 28–31

Gewicht400 g (inkl. Handgelenk)
Griff­kraft an den Spitzen110 N ± 15 N
Geschwin­dig­keit173 mm/s
Öff­nungs­wei­te130 mm
Tab. 1 Tech­ni­sche Infor­ma­tio­nen zum neu­en Greifer.
  1. Weir RF. Design of arti­fi­cial arms and hands for prost­he­tic app­li­ca­ti­ons. In: Kutz M (ed.). Stan­dard hand­book of bio­me­di­cal engi­nee­ring and design. New York: McGraw-Hill, 2003: 32.1–32.61
  2. Hecka­thor­ne CW. Upper-limb prost­he­tics: com­pon­ents for adult extern­al­ly powe­red sys­tems. In: Bow­ker JH, Micha­el JW (eds). Atlas of limb prost­he­tics: sur­gi­cal, prost­he­tic, and reha­bi­li­ta­ti­on princi­ples. 2nd edi­ti­on. St. Lou­is: Mos­by-Year Book, 1992: 151–173
  3. Bel­ter JT, Segil JL, Dol­lar AM, Weir RF. Mecha­ni­cal design and per­for­mance spe­ci­fi­ca­ti­ons of anthro­po­mor­phic prost­he­tic hands: a review. Jour­nal of Reha­bi­li­ta­ti­on Rese­arch & Deve­lo­p­ment, 2013; 50 (5): 599–618.
  4. Pröbs­ting E, Kan­nen­berg A, Cony­ers DW, Cut­ti AG, Migue­lez JM, Ryan TA, Shon­howd TP. Ease of Acti­vi­ties of Dai­ly Living with Con­ven­tio­nal and Mul­ti­grip Myoelectric Hands. Jour­nal of Prost­he­tics & Ortho­tics, 2015; 27 (2): 46–52
  5. Ber­tels T, Schmalz T, Lud­wigs E. Objec­ti­fy­ing the Func­tio­n­al Advan­ta­ges of Prost­he­tic Wrist Fle­xi­on. Jour­nal of Prost­he­tics & Ortho­tics, 2009; 21 (2): 74–78
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