Weer zelf kunnen lopen met een exoskelet

Voor mensen met bepaalde neuromusculaire afwijkingen is het een droom om zonder krukken te kunnen lopen. Het exoskelet Autonomyo maakt deze droom werkelijkheid. Het skelet levert actieve loopondersteuning aan verzwakte spieren en zorgt voor een intuïtieve beweging, die de natuurlijke loopbeweging nabootst. Zes micromotoren drijven de ondersteuning aan. Om een harmonieuze interactie mogelijk te maken tussen het exoskelet en de drager, ontwikkelde FAULHABER een innovatieve, alles-in-één-componentmotor met een koppelsensor.

In de medische wetenschap zijn ruim 800 neuromusculaire afwijkingen bekend, die een uitwerking hebben op de zenuwen en de spieren van patiënten. Soms betreft dit het hele lichaam, soms alleen een deel. Gelukkig zijn de meeste neuromusculaire afwijkingen relatief zeldzaam. Voor patiënten is het gevolg vaak een sterk verminderde mobiliteit. De oorzaken en de prognoses van deze afwijkingen zijn namelijk verschillend, maar één ding hebben ze gemeen: spierzwakte (musculaire dystrofie). En vaak is het verloop progressief.

Mohamed Bouri, die de onderzoeksgroep voor Rehabilitation and Assistive Robotics (REHA Assist) leidt aan de Technische Universiteit van het Zwitserse Lausanne (EPFL): “Als spierzwakte optreedt in de benen wordt het steeds moeilijker om te lopen. Uiteindelijk kan de patiënt niet meer zonder ondersteuning, zoals krukken. De spieren werken nog wel, maar ze hebben niet voldoende kracht om iemand stabiel overeind te laten blijven of om de benen onafhankelijk te bewegen. Dit heeft natuurlijk een enorme impact op de bewegingsvrijheid en kwaliteit van leven. Het effect is vergelijkbaar met dat van een halfzijdige verlamming na een beroerte. Ons doel was om die beperkingen zoveel mogelijk te boven te komen met gemotoriseerde ondersteuning, zodat de patiënt nog steeds gebruikmaakt van de aanwezige eigen spierkracht om te bewegen.”

Lichtgewicht gedeeltelijke ondersteuning met een exoskelet

Met “gemotoriseerde ondersteuning” bedoelt de onderzoeksleider een exoskelet, met technologie die geïnspireerd is op het menselijk lichaam. Een conventionele exoskelet helpt mensen met verlammingen om zonder krukken te lopen, maar ze wegen al snel meer dan 40 kilo. Het Autonomyo-skelet dat ontwikkeld is door de REHA Assist-groep is met slechts 25 kilo een stuk lichter. Het werkt samen met het verzwakte, maar deels nog functionele bewegingsapparaat van de patiënt.

Gebruikers dragen het apparaat als een korset om het middel, met manchetten om de benen. Aan iedere kant ondersteunen drie motoren de beweging door de kracht te leveren die ontbreekt in de spieren. Eén motor buigt en strekt bij de heup, en één bij de knie. De derde motor ondersteunt de adductie en abductie bij het heupgewricht, oftewel de zijwaartse bewegingen ten opzichte van de middellijn van het lichaam. Samen helpen de motoren de patiënt om het evenwicht te bewaren en rechtop te lopen. Autonomyo is onlangs getest in een klinische studie onder mensen met een loopbeperking, en het skelet doet wat het moet doen: ondersteuning bieden zonder de bewegingsvrijheid te beperken, in harmonie met de bedoelingen van de gebruiker. Hierbij had het geen negatieve uitwerking op de bewegingsruimte van de gewrichten of de loopcadans

Terugkoppeling van het magnetische meetsysteem

Het is absoluut essentieel dat het skelet de natuurlijke gang van de gebruiker ondersteunt. Bouri legt uit: “De eerste trigger om van positie te veranderen, dus om te gaan lopen, is een kleine verandering van de beenpositie. Die verandering detecteren wij door gegevens te combineren van een inertiële meeteenheid, acht belastingsensoren in de zolen, en de encoders van de motoren, die werken als positiesensoren van de gewrichten. Al die gegevens helpen om het evenwicht te ondersteunen.” Tijdens het lopen is de interactie tussen het apparaat en de gebruiker van cruciaal belang. FAULHABER heeft een koppelsensor ontwikkeld die deze interactie registreert en zo nauwkeurig de juiste ondersteuningsstrategie kan uitvoeren.

Frank Schwenker, Onderzoeksleider Advanced Engineering bij FAULHABER, licht het project toe: “We zijn een paar jaar geleden begonnen om een nauwkeurige koppelsensor in een motor te integreren, voor toepassingen als Cobotics om veilige interacties tussen robots en mensen te bevorderen. Met Autonomyo kunnen we dit concept voor het eerst implementeren in een uitdagende technologie voor loopondersteuning.”

De conventionele technologie voor koppeldetectie maakt gebruik van expansiestrips op de componenten. Die vervormen door de uitgeoefende kracht. Het zwakke punt is hierbij de lijmverbinding waarmee ze bevestigd zijn. De ontwikkelaars van Advanced Engineering hebben de strips vervangen door een meetsysteem met hoge resolutie. “Hiermee realiseren we een afwijking van minder dan 1,5% in het meetbereik van plus/min 30 Newton-meter,” vertelt Schwenker. “De sensor geeft zo een bijzonder nauwkeurige waarde voor het reactiekoppel in de loopbeweging.”

Deze waarde speelt een essentiële rol in de aansturing van het Autonomyo-exoskelet, dat natuurlijk ook met talloze andere waarden werkt. Bouri: “Het vereist een bijzonder gedifferentieerde kalibratie van het hele systeem om het skelet goed in te stellen voor individuele patiënten. De software berekent de signalen voor de aansturing van de aandrijvingen op basis van verschillende parameters en de feedback van de beweging. Met die informatie wordt het soort ondersteuning bepaald, en de hoeveelheid kracht die de motoren moeten leveren.”

Aandrijfkracht en ontwikkelingspotentieel

FAULHABER levert de zes aandrijvingen in ieder skelet. De centrale component hierin is de 3274 BP4 borstelloze motor met een diameter van 32 millimeter. Van alle verkrijgbare motoren in dit formaat, levert deze motor het meeste vermogen. Een 42 GPT planetaire tandwielkast zorgt voor de overbrenging, met een as die speciaal is ontwikkeld voor deze toepassing. Een magnetische IE3 encoder levert de positiegegevens aan de controller. De koppelsensor is ingebouwd in de tandwielkasten van de vier motoren die de buig- en strekbewegingen ondersteunen.

Faulhaber 42gpt planetaire tandwielkasten

De vereisten die het skelet stelt aan de aandrijvingen zijn typisch voor micromotoren uit de topklasse: zoveel mogelijk kracht in een zo klein en zo licht mogelijk design, met nauwkeurigheid, betrouwbaarheid en een lange levensduur. Bouri: “Het was niet zo moeilijk om de juiste leverancier te vinden voor onze aandrijvingen. Op basis van onze specificaties waren er maar een paar mogelijke motoren overgebleven als kandidaten. De interfacultaire onderzoeksgroep voor astrofysica van onze universiteit werkt al met FAULHABER en hun aanbeveling was overtuigend. Er was al een goede relatie. Bovendien had FAULHABER al de juiste uitgangspositie om binnen korte tijd een koppelsensor te ontwikkelen. Dat was voor ons project erg belangrijk.”

Voorlopig is de component nog geen serieproduct. De aandrijving wordt alleen nog in kleine hoeveelheden gemaakt voor de Universiteit van Lausanne. Frank Schwenker, de ontwikkelaar, ziet echter veel andere mogelijke toepassingsgebieden: “Koppelmetingen met een hoge resolutie kunnen veel waarde toevoegen voor alle haptische toepassingen. Denk bijvoorbeeld aan robotondersteuning in operatiekamers, waarbij de chirurg een instrument gebruikt en het apparaat het vermogen en de precisie aanstuurt. De sensor kan ook beschermend werken en het koppel beperken. En het is ideaal voor documentatieprocessen in de kwaliteitsbewaking, als er bewijs nodig is van extreem nauwkeurige koppelwaarden.”

Meer informatie bij Faulhaber

Lees ook:

• Koppelsensor voor het testen van de zuinigste waterstofauto ter wereld
• Exo-skelet in seconden op maat gemaakt met igus glijlagers
• Robots voorzien chirurgen van stabiliteit en precisie