Invloed van een aangedreven exoskelet op de gewrichtskinetica

Gemotoriseerde exoskeletten: stapsgewijs van sciencefiction naar realiteit

In veel sciencefictionfilms zien we robots en helden die op spectaculaire wijze en met ongekende krachten hun tegenstanders te lijf gaan in geavanceerde robotpakken. Wie herinnert zich niet Sigourney Weaver die in haar robotpak de ruimtemonsters te lijf gaat in “Aliens”? Of recenter de film Iron Man? Straks is dit misschien geen sciencefiction meer!

De ontwikkeling van deze gerobotiseerde mechanismen, ook wel exoskeletten genoemd, zit in een stroomversnelling en evolueert sinds kort naar commercialiseerbare producten. Zo wordt bijvoorbeeld sinds 2008 het HAL exoskelet van de firma cyberdyne commercieel verhuurd. Ferris, één van de voornaamste onderzoekers naar exoskeletten, is er van overtuigd dat de mens tegen 2024 over de straat zal wandelen met behulp van een exoskelet. Aangedreven exoskeletten leveren mechanische arbeid aan de gebruiker en worden geconstrueerd voor verschillende doeleinden. De belangrijkste toepassingen zijn het begeleiden van mensen in revalidatie en het ondersteunen van pathologische vormen van voortbeweging. Daarnaast probeert men via een exoskelet ook de maximale kracht van de gebruiker te verhogen en het menselijk energieverbruik te reduceren bij zowel pathologische als normale populaties. In de ontwikkeling van commercialiseerbare exoskeletten zijn de grootste uitdagingen de kennisopbouw rond de interactie robot-mens en de autonomie van de draagbare energiebronnen. In deze scriptie wordt er verder onderzoek gedaan naar de robot-mens interactie met behulp van een eenvoudig exoskelet.

Het labo bewegingswetenschappen van de Universiteit Gent ontwikkelde reeds een eenvoudig enkel-voet exoskelet dat het menselijk energieverbruik kan doen dalen tot onder het niveau van normaal wandelen (figuur1). In deze onderzoeksfase werd gebruik gemaakt van een niet-autonoom exoskelet, wat betekent dat de energiebron niet door de gebruiker zelf wordt gedragen. Hoe werkt dit nu? Het enkel-voet exoskelet ondersteunt de stapbeweging door de strekking van het enkelgewricht te assisteren tijdens het afduwen van de grond. Hierbij wordt de enkelstrekking aangedreven door kunstmatige spieren die samentrekken via een persluchtvoorziening. Deze kunstmatige spieren worden geactiveerd door drukschakelaars die zich bevinden in de hiel van het skelet. Het activatiepatroon werd reeds geoptimaliseerd en afgestemd in functie van het menselijk energieverbruik. Dit enkel-voet exoskelet laat ons toe om onderzoek te doen naar de interactie van een exoskelet met de menselijke stapbeweging. Het resulteerde ook in fundamenteel onderzoek naar oplossingen voor de beperkte autonomie van de energiebron.

Zowel de passieve effecten van het exoskelet, ten gevolge van extra massa en hinder, als de actieve werking, ten gevolge van energie geleverd door het exoskelet, beïnvloeden de wandelbeweging. Tijdens het afduwen van de grond is er door de passieve werking van het exoskelet een toegenomen krachtmoment in de enkel in vergelijking met de normale wandelbeweging. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de massa van het exoskelet, een verminderde bewegingsvrijheid en hinder door een te stijve voetafrol. Deze factoren veroorzaken ook een daling in enkelstrekking. De energie die geleverd wordt door het exoskelet zorgt voor een toename van de totale enkelstrekarbeid. Een belangrijke vaststelling is dat er daarnaast door de combinatie van de passieve en actieve werking van het exoskelet meer remenergie nodig is om de zwaai van het onderbeen af te remmen. Deze toename is opmerkelijk en biedt potentieel voor het oplossen van het probleem van de beperkte autonomie van de energiebron. Onderzoekers vragen zich af of het mogelijk is om, net zoals bij hybride auto’s, energie te recycleren uit de rembeweging van de verschillende segmenten. Deze energie zou men dan kunnen gebruiken om het exoskelet aan te drijven. Tijdens de menselijke stapbeweging wordt er namelijk een aanzienlijke hoeveelheid energie verspild ten gevolge van het afremmen van de beweging van segmenten. De aangedreven wandelbeweging biedt bijgevolg extra potentieel om het exoskelet aan te drijven via energierecyclage.

De logische vraag stelt zich of er genoeg energie gerecycleerd kan worden tijdens de aangedreven wandelbeweging om het exoskelet in zijn geheel aan te drijven. Via een indirecte bepaling van de inwerkende krachten op de gewrichten konden we aantonen dat er tijdens de stapbeweging vijf fases zijn waarbij de bewegingen van segmenten afgeremd worden. Het is niet optimaal om in al deze fases energie te recycleren omdat het menselijke lichaam op zich reeds over energierecyclerende mechanismen beschikt. Ten eerste wordt er energie tijdens het afremmen opgeslagen in elastisch weefsel, zoals pezen, die later gebruikt wordt om segmenten terug te versnellen. Daarnaast kan er ook energie getransporteerd worden van een gewricht dat een afremmende beweging doet naar een gewricht dat voor een aandrijvend moment zorgt. Een literatuuronderzoek naar de elastische energieopslag en het energietransport tussen gewrichten tijdens het stappen, maakte duidelijk dat er slechts met zekerheid één remfase is waarin geen menselijke energierecyclage plaatsvindt. In deze fase wordt de zwaaibeweging van het onderbeen afgeremd (figuur2). Het huidige onderzoek toonde aan dat de energie die verloren gaat bij het afremmen van de zwaaibeweging 4,26 keer hoger is dan de energie die geleverd wordt door het exoskelet. Om het exoskelet volledig autonoom aan te drijven zou een recyclerend systeem een totale efficiëntie van 23% moeten halen bij het opnemen, opslaan en transporteren van energie en terug omzetten naar mechanische arbeid.

De vraag of de mens zich volledig autonoom kan voortbewegen met een daling in energieverbruik blijft tot op heden onbeantwoord. Deze studie toont wel aan dat een geoptimaliseerd recyclerend enkel-voet exoskelet een potentiële oplossing kan zijn (figuur2). Het afremmen van de zwaaibeweging kan met name als energiebron dienen om het exoskelet aan te drijven. Door een verdere samenwerking tussen ingenieurs en bewegingswetenschappers kan er een energierecyclerend exoskelet ontworpen en geoptimaliseerd worden in functie van de menselijke stapbeweging. Dit zal de commercialisering van exoskeletten verder in een stroomversnelling brengen en zo kan de voorspelling van Ferris realiteit worden. Deels verlamde mensen terug laten stappen en reddingswerkers met super krachten en een verhoogd uithoudingsvermogen behoren dan tot de mogelijkheden. Zal u dan ook uw boodschappen doen met behulp van een exoskelet?