Invloed van een aangedreven exoskelet op de gewrichtskinetica

Maarten
Afschrift
  • Sander
    De Bruyne

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?

 

Bibliografie

P. G. Adamczyk & A. D. Kuo (2009). Redirection of center-of-mass velo city during the
step-to-step transition of human walking. J. Exp. Biol., 212(Pt 16):2668-2678.
T. M. Annaswamy, C. J. Giddings, U. Della Croce & D. C. Kerrigan (1999). Rectus femoris:
its role in normal gait. Arch Phys Med Rehabil, 80(8):930-934.
A. A. Biewener & M. A. Daley (2007). Unsteady locomotion: integrating muscle function
with whole body dynamics and neuromuscular control. J Exp Biol, 210(Pt 17):2949-2960.
J. A. Blaya & H. Herr (2004). Adaptive control of a variable-impedance ankle-foot ort hos is
to assist drop-foot gait. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng, 12(1):24-31.
R. C. Browning, J. R. Modica, R. Kram & A. Goswami (2007). The effects of ad ding mass to
the legs on the energetics and biomechanics of walking. Med Sei Sporis Exere, 39(3):515-
525.
S. M. Cain, K. E. Gordon & D. P. Ferris (2007). Locomotor adaptation to a powered ankle-foot
orthosis depends on contral method. J Neuroeng Rehabil, 4:48.
G. A. Cavagna, F. P. Saibene & R. Margaria (1963). External work in walking. J Appl
Physiol, 18:1-9.
G. A. Cavagna, H. Thys & A. Zamboni (1976). The sourees of external work in level walking
and running. J Physiol (Land), 262(3):639-657.
S. H. Collins & A. D. Kuo (2010). Recycling energy to restore impaired ankle function during
human walking. PLaS ONE, 5(2):e9307.
F. Daerden & D. Lefeber (2000). Pneumatic artificial muscles: actuators for roboties and
automation. European Journalof Mechanieal And Environmental Engineeringl, 47:10-21.
w. T. Dempster & G. R. L. Gaughran (1967). Praperties of body segments based on size
and weight. Am JAnat, 120(1):33-54.
J. Doke, J. M. Donelan & A. D. Kuo (2005). Mechanics and energetics of swinging the human
leg. J Exp Bio., 208(Pt 3):439-445.
90
Bibliografie 91
A. M. Dollar & H. Herr (2008). Lower Extremity Exoskeletons and Active Orthoses: Challenges
and State-of-the-Art. IEEE Trans Rob, 24(1):144-158.
J. M. Donelan, R. Kram & A. D. Kuo (2002). Mechanical work for step-to-step transitions is
a major determinant of the metabolic cost of human walking. J Exp Bio, 205(Pt 23):3717-
3727.
J. M. Donelan, Q. Li, V. Naing, J. A. Hoffer, D. J. Weber & A. D. Kuo (2008). Biomechanical
energy harvesting: generating electricity during walking with minimal user effort. Science,
319(5864):807-810.
W. K. Durfee & A. Rivard (2005). Design and simulation of a pneumatic, stored-energy,
hybrid orthosis for gait restoration. J Biomech Eng, 127(6):1014-1019.
D. J. Farris & G. S. Sawicki (2012). The mechanics and energetics of human walking and
running: a joint level perspective. J R Soc Interface, 9(66):110-118.
D. P. Ferris (2009). The exoskeletons are here. J Neuraeng Rehabil, 6:17.
D. P. Ferris, Z. A. Bohra, J. R. Lukos & C. R. Kinnaird (2006a). Neuromechanical adaptation
to hopping with an elastic ankle-foot orthosis. J. Appl. Physiol., 100(1):163-170.
D. P. Ferris, J. M. Czerniecki & B. Hannaford (2005). An ankle-foot orthosis powered by
artificial pneumatic muscles. J Appl Biomech, 21(2):189-197.
D. P. Ferris, K. E. Gordon, G. S. Sawieki & A. Peethambaran (2006b). An improved powered
ankle-foot orthosis using proportional myoelectric control. Gait Posture. 23(4):425-428.
D. P. Ferris & C. L. Lewis (2009). Robotic lower limb exoskelet ons using proportional myoelectric
control. Conf Prae IEEE Eng Med Biol Soc, 2009:2119-2124.
D. P. Ferris, G. S. Sawieki & M. A. Daley (2007). A physiologist's perspective on robotic
exoskelet ons for human locomotion. Int J HR, 4(3):507-528.
J. A. Friederich & R. A. Brand (1990). Muscle fiber architecture in the human lower limbo J
Biomech, 23(1):91-95.
T. Fukunaga, K. Kubo, Y. Kawakami, S. Fukashiro, H. Kanehisa & C. N. Maganaris (2001).
In vivo behaviour of human muscle tendon during walking. Prae. Biol. Sci., 268(1464):229-
233.
S. Galle, P. Malcolm, W. Derave & D. De Clercq (2011). A simple ankle-foot exoskeleton ean
lower the metabolic cost of walking. In IBB.
H. Geyer, A. Seyfarth & R. Blickhan (2006). Compliant leg behaviour explains basic dynamics
of walking and running. Prae. Biol. Sci., 273(1603):2861-2867.
Bibliografie 92
K. E. Gordon & D. P. Ferris (2007). Learning to walk with a robotic ankle exoskeleton. J
Biomech, 40(12):2636-2644.
K. E. Gordon, G. S. Sawicki & D. P. Ferris (2006). Mechanica! performance of artificial
pneumatic muscles to power an ankle-foot orthosis. J Biomech, 39(10):1832-1841.
Y. Han & X. Wang (2011). The biomechanical study of lower limb during human walking.
Bei China Teeh Bei, 54(4) :983-991.
H. Herr (2009). Exoskeletons and orthoses: classification, design challenges and future directions.
J Neuroeng Rehabil, 6:21.
A. V. Hill (1938). The heat of shortening and the dynamic constants of muscle. Prae R Soc
B, 126(843):136-195.
K. W. Hollander, R. Ilg, T. G. Sugar & D. Herring (2006). An efficient robotic tendon for
gait assistance. J Biomeeh Eng, 128(5):788-791.
A. Hreljac & R. N. Marshall (2000). Algorithms to determine event timing during normal
walking using kinematic data. J Biomeeh, 33(6):783-786.
F. Iida, J. Rummel & A. Seyfarth (2008). Bipedal walking and running with spring-like
biarticular muscles. J Biomeeh, 41(3) :656-667.
M. Ishikawa, P. V. Komi, M. J. Grey, V. Lepola & G. P. Bruggemann (2005). Muscle-tendon
interaction and elastic energy usage in human walking. J. Appl. Physiol., 99(2):603-608.
S. Jezernik, G. Colombo, T. KeIler, H. Frueh & M. Morari (2003). Robotic orthosis lokomat:
a rehabilitation and research tool. Neuromodulation: Teehnology at the Neurol Interface,
6(2):108-115.
P. C. Kao, C. L. Lewis & D. P. Ferris (2010). Invariant ankle moment patterns when walking
with and without a robotic ankle exoskeleton. J Biomech, 43(2) :203-209.
H. Kawamoto, S. Lee, S. Kanbe & Y. Sankai (2007). Power assist method for HAL-3 using
EMG-based feedback controller. Int J HR, 4(3):507-528.
H. Kazerooni & R. Steger (2006). The Berkeley Lower Extremity Exoskeleton. J Dyn Byst,
Meas, Control, 128(1):14-25.
A. D. Kuo (2002). Energetics of actively powered locomotion using the simplest walking
model. J Biomech Eng, 124(1):113-120.
A. D. Kuo (2007a). Choosing your steps carefully. IEEE Rob fj Aut Mag, 14(2):18-29.
Bibliografie 93
A. D. Kuo (2007b). The six determinants of gait and the inverted pendulum analogy: A
dynamic walking perspective. Hum Mov Bei, 26(4):617-656.
A. D. Kuo & J. M. Donelan (2010). Dynamic principles of gait and their clinical implications.
Phys Ther, 90(2):157-174.
A. D. Kuo, J. M. Donelan & A. Ruina (2005). Energetic consequences of walking like an
inverted pendulum: step-tc-step transitions. Exere Sport Sei Rev, 33(2):88-97.
J. L. Lelas, G. J. Merriman, P. O. Riley & D. C. Kerrigan (2003). Predicting peak kinematic
and kinetic parameters from gait speed. Gait Posture. 17(2):106-112.
C. L. Lewis & D. P. Ferris (2008). Walking with increased ankle pushoff decreases hip muscle
moments. J Biomeeh, 41(10):2082-2089.
Q. Li, V. Naing & J. M. Donelan (2009). Development of a biomechanical energy harvester.
J Neuroeng Rehabil, 6:22.
P. Malcolm, W. Derave & D. De Clercq (2011). A plantarflexion assisting exoskeleton optimally
reduces metabolic cost of walking when actuation onset coincides with push off
phase. In IBB.
P. Malcolm, P. Fiers, V. Segers, I. Van Caekenberghe, M. Lenoir & D. De Clercq (2009).
Experimental study on the role of the ankle push off in the walk-to-run transit ion by
means of a powered ankle-foot-exoskeleton. Gait Posture. 30(3):322-327.
T. McGeer (1990). Passive Dynamic Walking. Int. J Rob Res, 9(2):62-82.
M. Meinders, A. Gitter & J. M. Czerniecki (1998). The role of ankle plant ar fiexor muscle
work during walking. Seand J Rehabil Med, 30(1):39-46.
S. Mochon & T. A. McMahon (1980). Ballistic walking. J Biomeeh, 13(1):49-57.
R. R. Neptune, S. A. Kautz & F. E. Zajac (2001). Contributions of the individual ankle
plantar flexors to support, forward progression and swing initiation during walking. J
Biomeeh, 34(11):1387-1398.
R. R. Neptune, F. E. Zajac & S. A. Kautz (2004). Muscle force redistributes segmental power
for body progression during walking. Gait Posture. 19(2):194-205.
J. A. Norris, K. P. Granata, M. R. Mitros, E. M. Byrne & A. P. Marsh (2007). Effect of
augmented plantarflexion power on preferred walking speed and economy in young and
older adults. Gait Posture. 25(4):620-627.
J. Perry (1992). Gait Analysis: Normal and Pathologieal Funetion. Slack.
Bibliografie 94
B. I. Prilutsky (1997). Work, energy expenditure, and efficiency of the stretch-shortening
cycle. J Appl Biomech, 13(4):466-47l.
B. I. Prilutsky, L. N. Petrova & L. M. Raitsin (1996). Comparison of mechanical energy
expenditure of joint moments and muscle forces during human locomotion. J Biomeeh,
29(4):405-415.
B. I. Prilutsky & V. M. Zatsiorsky (1994). Tendon action of two-joint muscles: transfer
of mechanical energy between joints during jumping, landing, and running. J Biomeeh,
27(1):25-34.
J. A. Rall (1985). Energetic aspects of skelet al muscle contraction: implications of fiber types.
Exere Sport Sei Rev, 13:33-74.
R. Riemer & A. Shapiro (2011). Biomechanical energy harvesting from human motion: theory,
state of the art, design guidelines, and future directions. J Neuroeng Rehabil, 8:22.
A. Ruina, J. E. Bertram & M. Srinivasan (2005). A collisional model of the energetic cost of
support work qualitatively explains leg sequencing in walking and galloping, pseudo-elastic
leg behavior in running and the walk-te-run transition. J. Theor. Biol., 237(2):170-192.
K. Sasaki & R. R. Neptune (2006). Muscle mechanical work and elastic energy utilization
during walking and running near the preferred gait transition speed. Gait Posture.
23(3):383-390.
K. Sasaki, R. R. Neptune & S. A. Kautz (2009). The relationships between muscle, external,
internal andjoint mechanical work during normal walking. J. Exp. Biol., 212(Pt 5):738-744.
G. S. Sawicki, A. Domingo & D. P. Ferris (2006). The effects of powered ankle-foot orthoses
on joint kinematics and muscle activation during walking in individuals with incomplete
spinal cord injury. J Neuroeng Rehabil, 3:3.
G. S. Sawicki & D. P. Ferris (2008). Mechanics and energetics of level walking with powered
ankle exoskeletons. J. Exp. Biol., 211(Pt 9):1402-1413.
G. S. Sawicki & D. P. Ferris (2009). A pneumatically powered knee-ankle-foot orthosis
(KAFO) with myoelectric activation and inhibition. J Neuroeng Rehabil, 6:23.
G. S. Sawicki, C. L. Lewis & D. P. Ferris (2009). It pays to have a spring in your step. Exere
Sport Sei Rev, 37(3):130-138.
M. H. Schwartz, A. Rozumalski & J. P. Trost (2008). The effect of walking speed on the gait
of typically developing children. J Biomech, 41(8):1639-1650.
Bibliografie 95
B. W. Stansfield, S. J. Hillman, M. E. Hazlewood & J. E. Robb (2006). Regression analysis of
gait parameters with speed in normal children walking at self-selected speeds. Gait Posture,
23(3):288-294.
D. Sutherland (1966). An elextromyographic study of the plantarfiexors of the ankle in normal
walking on the level. J. Bone Joint., 48(A):66-71.
A. J. van den Bogert (2003). Exotendons for assistance of human locomotion. Biomed Eng
Online, 2:17.
G. van Ingen Schenau (1990). On the action of bi-articular muscles, a review. Netherlands
Journalof Zoology, 40:521-540.
G. J. van Ingen Schenau, M. F. Bobbert & R. H. Rozendal (1987). The unique act ion of
bi-articular muscles in complex movements. J. Anat., 155:1-5.
C. J. Walsh, K. Endo & H. Herr (2007). A quasi-passive leg exoskeleton for load-carrying
augmentation. Int J Hum Robot, 4(3):487-506.
B. Whittington, A. Silder, B. Heiderscheit & D. G. Thelen (2008). The contribution of
passive-elastic mechanisms to lower extremity joint kinetics during human walking. Gait
Posture. 27(4):628-634.
M. B. Wiggin, G. S. Sawicki & S. H. Collins (2011). An exoskeleton using controlled energy
storage and release to aid ankle propulsion. IEEE Int Conf Rehabil Robot, 2011:5975342.
P. K. Winchester, J. J. Carollo, R. N. Parekh, L. M. Lutz & J. W. Aston (1993). A comparison
of paraplegie gait performance using two types of reciprocating gait orthoses. Prosthet
Orthot Int, 17(2):101-106.
D. A. Winter (1979). Biomechanics of human movement. University of Waterloo Press.
D. A. Winter (1983). Energy generation and absorption at the ankle and knee during fast,
natural, and slow cadences. Clin. Orthop. Relat. Res., (175):147-154.
D. A. Winter (1991). The biomechanics and motor control of human gait: normal. elderly
and pathologieal. University of Waterloo Press.
D. A. Winter (2009). Biomechanics and motor control of human movement. John Wiley &
Sons.
Y. S. Yoon & J. M. Mansour (1982). The passive elastic moment at the hip. J Biomech,
15(12):905-910.

Download scriptie (7.66 MB)
Universiteit of Hogeschool
Universiteit Gent
Thesis jaar
2012