Hoe een fietsrem ouderen opnieuw op de been kan helpen
Een knie-exoskelet dat ouderen helpt recht te staan. Geen duur robotpak, maar slim gebruik van veren en een fietsrem.
“Zullen we een koffie halen?” Voor velen is het een kleine moeite; rechtstaan uit de stoel en weg. Voor duizenden ouderen en mensen die een beroerte hebben gehad, is rechtstaan een dagelijkse strijd. Net die eenvoudige beweging, de overgang van zitten naar staan, is vaak de oorzaak van valpartijen, met soms zware medische gevolgen.
Met dat probleem in gedachten ging ik op zoek naar een oplossing. Iets dat mensen ondersteunt en hen tegelijk actief laat bewegen. Geen robot die de beweging overneemt, wel een hulpmiddel dat een duwtje geeft op het juiste moment. De oplossing is eenvoudiger dan het klinkt: een passief exoskelet voor de knie dat energie opslaat bij het zitten en die energie weer vrijgeeft bij het rechtstaan. Gewoon een veer, met een onverwachte held… een fietsrem.
Geen sciencefiction, wel fietstechniek
Een exoskelet kennen we vooral uit sciencefictionfilms: futuristische metalen pakken die je lichaam absurde mogelijkheden geven. Mijn ontwerp oogt veel bescheidener, maar heeft een slimme eenvoud. De sleutel ligt in de mechanische koppeling, gemaakt met onderdelen van een fiets. Een remschijf en twee remmen om precies te zijn.
Waarom fietsenremmen? Omdat ze betrouwbaar, betaalbaar en beschikbaar zijn. Voor mijn prototype gebruikte ik een hydraulische schijfrem, die normaal op mountainbikes wordt gemonteerd. Die remmen zijn sterk genoeg om de krachten op te vangen die bij het zitten en rechtstaan nodig zijn.
Hoe werkt het?
De bovenste fietsrem staat in verbinding met het bovenbeen, de onderste met het onderbeen. De veren zijn verbonden met de remschijf via een kabel. Maar hoe werken de twee remmen nu samen om te helpen bij de beweging? Het bestaat uit drie stappen:
- Zitten: Bij het zitten spant de bovenste remschijf op, waardoor de schijf vastgehouden wordt en meebeweegt met de beweging van het bovenbeen. Als de knie buigt bij het gaan zitten, draait de schijf dus mee en spannen de veren op.
- Opslaan: Eenmaal de persoon zit, komt de koppeling van pas. De bovenste rem laat los, de onderste grijpt vast. Zo wordt de energie veilig opgesloten in de veren, terwijl de gebruiker vrij kan bewegen. De remschijf is losgekoppeld van het bovenbeen, maar de energie blijft gespaard tot het moment dat de gebruiker weer rechtstaat.
- Rechtstaan: Bij het rechtstaan spant de bovenste rem opnieuw op. De veren leveren kracht op het bovenbeen, waardoor ze de gebruiker omhoogtrekken.
Tijdens andere bewegingen, zoals wandelen, zit het systeem in neutrale stand en hindert het de gebruiker niet.
Waarom de knie
De knie is het gewricht dat tijdens de overgang van zitten naar staan de grootste mechanische belasting te verduren krijgt. Vooral de quadriceps, de spiergroep aan de voorkant van het bovenbeen, levert hierbij piekkrachten. Bij ouderen is juist die spier vaak te zwak, waardoor de beweging moeizaam of onmogelijk wordt. Het was daarom logisch om de ondersteuning precies op de knie te richten.
Van ontwerp tot prototype
Het prototype bestaat uit drie hoofdelementen. Twee aluminium stangen die met braces aan het boven- en onderbeen worden vastgemaakt, drie spiraalveren die de energie opslaan, en een mechanische koppeling die gebruikmaakt van twee hydraulische fietsschijfremmen. Alles samen weegt het 2,9 kilogram en is het net geen tien centimeter dik.
De veren zijn zo gekozen dat ze gemiddeld 17 procent van het vereiste koppel leveren om recht te komen. Ze vervangen de spierkracht dus niet, maar ondersteunen in de zwaarste fase. Dit is het moment dat de billen loskomen van de stoel, ook wel het “seat-off”-moment genoemd. Precies dan zijn de veren maximaal opgespannen en leveren ze de grootste bijdrage.
De eerste tests
Het prototype werd uitvoerig getest en bleek mechanisch robuust. De remmen hielden de spanning van de veren betrouwbaar vast en slipten niet. Tijdens het rechtstaan leverde het toestel merkbare ondersteuning.
Om de effectiviteit objectief te meten, registreerden we de spieractiviteit met oppervlakte-EMG, waarbij kleine elektrodes de activiteit van de bovenbeenspieren registreren. De resultaten waren wisselend. Bij sommige metingen was er een duidelijke daling van de spieractiviteit met het exoskelet, bij andere nauwelijks verschil. Opvallend genoeg trad soms ook zonder assistentie een daling op. Vermoedelijke oorzaken zijn dat de braces van het toestel druk uitoefenen op de spieren of dat proefpersonen hun beweging onbewust aanpassen. Bovendien werd slechts één been ondersteund, wat betekent dat het andere been compenseerde.
Wat wel eenduidig bleek, was de ervaring van de gebruikers zelf. Vooral in de modus waarin de koppeling de volledige beweging ondersteunde, voelden zij een duidelijke verlichting bij het rechtstaan.
Grenzen van een eerste versie
Zoals elk prototype heeft ook dit ontwerp beperkingen. Het gewicht van bijna drie kilo aan één been is na verloop van tijd vermoeiend, de braces kunnen verschuiven of ongemakkelijk zitten en omdat voorlopig slechts één been ondersteuning krijgt, is de totale hulp beperkt.
Toch bewijst dit onderzoek dat een passief knie-exoskelet met koppeling haalbaar en effectief kan zijn. De combinatie van eenvoudige onderdelen, lage kost en gerichte ondersteuning maakt het een veelbelovend concept. Verdere stappen liggen in een lichtere en dubbelzijdige versie. Ook een automatische bediening, die vanzelf schakelt tussen de verschillende bewegingen, zou het draagcomfort verhogen.
Van labo naar huiskamer
De maatschappelijke waarde van zo’n toestel kan groot zijn. Voor ouderen en mensen na een beroerte betekent zelfstandig rechtstaan meer dan fysieke hulp. Het geeft vertrouwen, vergroot de zelfstandigheid en vermindert de kans op vallen. Misschien kent u zelf iemand die baat zou hebben bij een exoskelet. Twee op de vijf ouderen hebben immers moeite met rechtstaan, en dagelijks krijgen meer dan vijftig Belgen een beroerte. Het risico op verlies van zelfstandigheid is groter dan we denken. Passieve mechanische exoskeletten kunnen een haalbare oplossing bieden voor het dagelijks leven.
Bibliografie
J. Yang and B. Ozsoy, “Three dimensional unassisted sit-to-stand prediction for virtual healthy young and elderly individuals,” Multibody System Dynamics, vol. 49, no. 1, p. 33–52, Sep 2019.
A. Kapsalyamov, P. K. Jamwal, S. Hussain, and M. H. Ghayesh, “State of the art lower limb robotic exoskeletons for elderly assistance,” IEEE Access, vol. 7, p. 95075–95086, Jul 2019.
U. Lindemann, J. Krespach, U. Daub, M. Schneider, K. S. Sczuka, and J. Klenk, “Effect of a passive exosuit on sit-to-stand performance in geriatric patients mea sured by body-worn sensors—a pilot study,” Sensors, vol. 23, no. 2, p. 1032, Jan 2023.
L. Piano, T. Geri, and M. Testa, “Raising and stabilization phase of the sit-to-stand movement better discriminate healthy elderly adults from young subjects: A pilot cross-sectional study,” Archives of Physiotherapy, vol. 10, no. 1, Apr 2020.
A. Nagarkar and S. Kulkarni, “Association between daily activities and fall in older adults: An analysis of longitudinal ageing study in india (2017–18),” BMC Geri atrics, vol. 22, no. 1, Mar 2022.
Y. R. Mao, X. Q. Wu, J. L. Zhao, W. L. Lo, L. Chen, M. H. Ding, Z. Q. Xu, R. H. Bian, D. F. Huang, and L. Li, “The crucial changes of sit-to-stand phases in sub acute stroke survivors identified by movement decomposition analysis,” Frontiers in Neurology, vol. 9, Mar 2018.
J. C. Lau and K. Mombaur, “Can lower-limb exoskeletons support sit-to-stand mo tions in frail elderly without crutches? a study combiningoptimalcontrolandmotion capture,” Frontiers in Neurorobotics, vol. 18, Apr 2024.
D. M. Preethichandra, L. Piyathilaka, J.-H. Sul, U. Izhar, R. Samarasinghe, S. D. Arachchige, and L. C. de Silva, “Passive and active exoskeleton solutions: Sen sors, actuators, applications, and recent trends,” Sensors, vol. 24, no. 21, p. 7095, Nov 2024.
M. Roebroeck, C. Doorenbosch, J. Harlaar, R. Jacobs, and G. Lankhorst, “Biome chanics and muscular activity during sit-to-stand transfer,” Clinical Biomechanics, vol. 9, no. 4, p. 235–244, Jul 1994.
Q. Xue, T. Wang, S. Yang, B. Zhou, and H. Zhang, “Experimental study on sit-to-stand (sts) movement: A systematic review,” International Journal of Intelligent Robotics and Applications, vol. 6, no. 1, p. 152–170, Jun 2021.
W. G. Janssen, H. B. Bussmann, and H. J. Stam, “Determinants of the sit-to-stand movement: A review,” Physical Therapy, vol. 82, no. 9, p. 866–879, Sep 2002.
A. Rad, “Leg and knee anatomy,” Aug 2023. [Online]. Available: https: //www.kenhub.com/en/library/anatomy/lower-extremity-anatomy
P. Wu, X. Chen, Y. He, and Z. Liu, “Unpowered knee exoskeleton during stair descent,” 2021 7th International Conference on Mechatronics and Robotics Engi neering (ICMRE), p. 106–110, Feb 2021.
M. K. Mak, O. Levin, J. Mizrahi, and C. W. Hui-Chan, “Joint torques during sit-to stand in healthy subjects and people with parkinson’s disease,” Clinical Biome chanics, vol. 18, no. 3, p. 197–206, Mar 2003.
L. Zhang, G. Liu, B. Han, Z. Wang, Y. Yan, J. Ma, and P. Wei, “Knee joint biome chanics in physiological conditions and how pathologies can affect it: A systematic review,” Applied Bionics and Biomechanics, vol. 2020, p. 1–22, Apr 2020.
S. C. Walpole, D. Prieto-Merino, P. Edwards, J. Cleland, G. Stevens, and I. Roberts, “The weight of nations: An estimation of adult human biomass,” BMC Public Health, vol. 12, no. 1, Jun 2012.
A. E. Cavelaars, A. E. Kunst, J. J. Geurts, R. Crialesi, L. Grötvedt, U. Helmert, E. Lahelma, O. Lundberg, A. Mielck, N. K. Rasmussen, and et al., “Persistent vari ations in average height between countries and between socio-economic groups: An overview of 10 european countries,” Annals of Human Biology, vol. 27, no. 4, p. 407–421, Jul 2010.
C. Pinheiro, J. M. Lopes, L. Moreira, D. Sanz-Merodio, J. Figueiredo, C. P. Santos, and E. Garcia, “Kinematic and kinetic study of sit-to-stand and stand-to-sit move ments towards a human-like skeletal model,” 2019 IEEE 6th Portuguese Meeting on Bioengineering (ENBENG), p. 1–4, Feb 2019.
R. Ranaweera, R.Gopura, T.Jayawardena, and G.Mann, “Developmentofapas sively powered kneeexoskeletonfor squat lifting,” Journal of Robotics, Networking and Artificial Life, vol. 5, no. 1, pp. 45–51, Jun 2018.
A. Sade, I. Coifman, R. Riemer, and D. Zarrouk, “Design and control of a novel 74 6 References semi-passive knee exoskeleton,” IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 9, no. 11, p. 9661–9668, Sep 2024.
Y. Takai, M. Ohta, R. Akagi, H. Kanehisa, Y. Kawakami, and T. Fukunaga, “Sit-to stand test to evaluate knee extensor muscle size and strength in the elderly: A novel approach,” Journal of PHYSIOLOGICAL ANTHROPOLOGY, vol. 28, no. 3, p. 123–128, 2009.
C. K. Gray and E. Culham, “Sit-to-stand in people with stroke: Effect of lower limb constraint-induced movement strategies,” Stroke Research and Treatment, vol. 2014, p. 1–8, Mar 2014.
E. A. Chandler, T. Stone, V. M. Pomeroy, A. B. Clark, A. Kerr, P. Rowe, U. C. Ugbolue, J. Smith, and N. J. Hancock, “Investigating the relationships between three important functional tasks early after stroke: Movement characteristics of sit-to-stand, sit-to-walk, and walking,” Frontiers in Neurology, vol. 12, May 2021.
S. Seko, R. P. Matthew, and R. Riemer, “Passive knee assistance affects whole body biomechanics during sit-to-stand,” 2019 41st Annual International Confer ence of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), p. 4440 4444, Jul 2019.
J. Babič, M. Laffranchi, F. Tessari, T. Verstraten, D. Novak, N. Šarabon, B. Ugurlu, L. Peternel, D. Torricelli, and J. F. Veneman, “Challenges and solutions for appli cation and wider adoption of wearable robots,” Wearable Technologies, vol. 2, Sep 2021.
J.-R. Choi, S.-W. Kim, and K.-J. Cho, “Self-unlocking active clutch for quasi passive wearable robots,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, p. 1–10, Dec 2024.
E. Ackerman, “Sarcos demonstrates powered exosuit that gives workers super strength,” Dec 2019. [Online]. Available: https://spectrum.ieee.org/sarcos guardian-xo-powered-exoskeleton
ArmyTechnology, “Raytheon xos 2 exoskeleton, second-generation robotics suit,” Jun 2020. [Online]. Available: https://www.army-technology.com/projects/ raytheon-xos-2-exoskeleton-us/?cf-view
Admin, “Ekso indego therapy.” [Online]. Available: https://eksobionics.com/ekso indego-therapy/
B. Lim, J. Lee, J. Jang, K. Kim, Y. J. Park, K. Seo, and Y. Shim, “Delayed output feedback control for gait assistance with a robotic hip exoskeleton,” IEEE Trans actions on Robotics, vol. 35, no. 4, p. 1055–1062, Aug 2019.
P. Milia, F. De Salvo, M. Caserio, T. Cope, P. Weber, C. Santella, S. Fiorini, G. Bal doni, R. Bruschi, B. Bigazzi, and et al., “Neurorehabilitation in paraplegic patients with an active powered exoskeleton (ekso),” Digital Medicine, vol. 2, no. 4, p. 163 168, Oct 2016.
J. H. Hollman, R. H. Deusinger, L. R. Dillen, and M. J. Matava, “Knee joint move ments in subjects without knee pathology and subjects with injured anterior cruci ate ligaments,” Physical Therapy, vol. 82, no. 10, p. 960–972, Oct 2002.
L. N. Awad, J. Bae, K. O’Donnell, S. M. De Rossi, K. Hendron, L. H. Sloot, P. Kudzia, S. Allen, K. G. Holt, T. D. Ellis, and et al., “A soft robotic exosuit im proves walking in patients after stroke,” Science Translational Medicine, vol. 9, no. 400, Jul 2017.
M. Wehner, B. Quinlivan, P. M. Aubin, E. Martinez-Villalpando, M. Baumann, L. Stirling, K. Holt, R. Wood, and C. Walsh, “A lightweight soft exosuit for gait assistance,” 2013 IEEE International Conference on Robotics and Automation, p. 3362–3369, May 2013.
X.Zhou, G.Liu, B.Han, L.Wu, and H.Li,“Design of a human lower limbs exoskeleton for biomechanical energy harvesting and assist walking,” Energy Technology, vol. 9, no. 1, Nov 2020.
M.Kim, J.Heo, H.Rodrigue, H.Lee, S.Pané, M.Han, and S.Ahn, “Shape memory alloy (sma) actuators: The role of material, form, and scaling effects,” Advanced Materials, vol. 35, no. 33, Jun 2023.
M. Kennard, H. Kadone, Y. Shimizu, and K. Suzuki, “Passive exoskeleton with gait-based knee joint support for individuals with cerebral palsy,” Sensors, vol. 22, no. 22, p. 8935, Nov 2022.
“Upway united states,” 2018. [Online]. Available: https://upway.co/blogs/news/ mechanical-disc-brakes-vs-hydraulic-disc-brakes
“Mathworks disc brake,” Feb 2025. [Online]. Available: https://nl.mathworks.com/ help/sdl/ref/discbrake.html
C. Oertel, H. Neuburger, and A. Sabo, “Construction of a test bench for bicycle rim and disc brakes,” Procedia Engineering, vol. 2, no. 2, p. 2943–2948, Jun 2010.
“Bike24- online bicycle shop,” https://www.bike24.com/p298678.html, 2025.
M. Randol, “2 piston vs 4 piston mountain bike brakes,” Jan 2020. [Online]. Available: https://thelostco.com/blogs/blog/2-piston-vs-4-piston-mtb brakes#:~:text=A%202%20piston%20caliper%20has,friction%20and%20more% 20stopping%20power.
“Rs components- electronics and industrial products,” https://benl.rs-online.com/ web/, 2025.
M. Wu, M. R. Haque, and X. Shen, “Obtaining natural sit-to-stand motion with a biomimetic controller for powered knee prostheses,” Journal of Healthcare Engi neering, vol. 2017, p. 1–6, Sep 2017.
C. C. Gordon, C. L. Blackwell, B. Bradtmiller, J. L. Parham, P. Barrientos, S. P. Paquette, B. D. Corner, J. M. Carson, J. C. Venezia, B. M. Rockwell, M. Mucher, and S. Kristensen, “2012 anthropometric survey of u.s. army personnel: Meth ods and summary statistics,” U.S. Army Natick Soldier Research, Development and Engineering Center, Natick, Massachusetts, Tech. Rep. NATICK/TR-15/007, December 2014, final Report October 2010– April 2012.
Y. Wang, J. A. M. Pérez, R. D. Gregg, and G. C. Thomas, “Human-interface dynamics of knee exoskeletons with lateral and anteroposterior attachment,” in Proceedings of the 2025 International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR), Singapore, 2025, to appear.
Y. He, D. Eguren, T. P. Luu, and J. L. Contreras-Vidal, “Risk management and regulations for lower limb medical exoskeletons: A review,” Medical Devices: Ev idence and Research, vol. Volume 10, p. 89–107, May 2017.
L. McManus, G. De Vito, and M. M. Lowery, “Analysis and biophysics of surface emg for physiotherapists and kinesiologists: Toward a common language with re habilitation engineers,” Frontiers in Neurology, vol. 11, Oct 2020.
C. D.-K. Hermie J Hermens, Bart Freriks and G. Rau, “Development of recommendations for semg sensors and sensor placement procedures,” Journal of Electromyography and Kinesiology, vol. 10, no. 5, pp. 361 77 6 References 374, 2000. [Online]. Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S1050641100000274
S. Project, “Determination of sensor location,” 1999, accessed: 2025-05-15. [Online]. Available: https://www.seniam.org/sensorlocation.htm
D. F. Granados, H. Kadone, and K. Suzuki, “Unpowered lower-body exoskeleton with torso lifting mechanismforsupportingsit-to-stand transitions,” 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), p. 2755 2761, Oct 2018.
N.Karavas, A.Ajoudani, N.Tsagarakis, J.Saglia, A.Bicchi, andD.Caldwell, “Tele impedance based assistive control for a compliant knee exoskeleton,” Robotics and Autonomous Systems, vol. 73, p. 78–90, Nov 2015.
COMETA Systems. (2025) Cometa systems official website. [Online]. Available: https://www.cometasystems.com/
ThatsEngineering, “Surface electromyography (semg) signal processing | part 1,” 2020. [Online]. Available: https://youtu.be/5AtAoO51vWQ
R. Merletti and G. L. Cerone, “Tutorial. surface emg detection, conditioning and pre-processing: Best practices,” Journal of Electromyography and Kinesiology, vol. 54, p. 102440, Jun 2020.
C. Anders, H. Wagner, C. Puta, R. Grassme, A. Petrovitch, and H.-C. Scholle, “Trunk muscle activation patterns during walking at different speeds,” Journal of Electromyography and Kinesiology, vol. 17, no. 2, pp. 245–252, 2007.
L. A. Frey Law and K. G. Avin, “Muscle coactivation: A generalized or localized motor control strategy?” Muscle & amp; Nerve, vol. 48, no. 4, p. 578–585, Aug 2013.
R. W. Jackson, C. L. Dembia, S. L. Delp, and S. H. Collins, “Muscle-tendon me chanics explain unexpected effects of exoskeleton assistance on metabolic rate during walking,” Journal of Experimental Biology, Jan 2017.
C. Leatt, C. de Jongh, and P. A. Keevy, “White paper: Research and develop ment efforts towards the production of the leatt c-frame carbon knee brace,” Leatt Corporation, Research and Development Department– Biomedical Engineering Division, White Paper, Aug. 2014.
D. Landin, M. Thompson, and M. Reid, “Actions of two bi-articular muscles of the lower extremity: A review article,” Journal of Clinical Medicine Research, vol. 8, no. 7, p. 489–494, May 2016.
P. Malcolm, S. Galle, W. Derave, and D. De Clercq, “Bi-articular knee-ankle foot exoskeleton produces higher metabolic cost reduction than weight-matched mono-articular exoskeleton,” Frontiers in Neuroscience, vol. 12, Mar 2018.
United Nations, “Sustainable development goals,” 2015. [Online]. Available: https://www.un.org/sustainabledevelopment/
