Het exoskelet Autonomyo levert actieve loopondersteuning aan verzwakte spieren en zorgt voor nabootsing van de natuurlijke loopbeweging. Voor de interactie tussen het exoskelet en de drager ontwikkelde Faulhaber een 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. Voor patiënten is het gevolg vaak een sterk verminderde mobiliteit. De oorzaken en de prognoses van deze afwijkingen hebben één ding 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. 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 exoskelet
Conventionele exoskeletten helpen 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 zijwaartse bewegingen bij het heupgewricht. Samen helpen de motoren de patiënt om het evenwicht te bewaren en rechtop te lopen. Autonomyo is onlangs getest in een klinische studie en het skelet doet wat het moet doen: ondersteuning bieden zonder de bewegingsvrijheid te beperken. Hierbij had het skelet geen negatieve uitwerking op de beweging van de gewrichten of de loopcadans.
Terugkoppeling magnetische meetsysteem
Tijdens het lopen is de interactie tussen het exoskelet 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 toepassen in de 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 Faulhaber 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.”
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)
Faulhaber BP4 Borstelloze DC-servomotor
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: “De interfacultaire onderzoeksgroep voor astrofysica van onze universiteit werkt al met Faulhaber en hun aanbeveling was overtuigend. Bovendien was Faulhaber in staat om binnen korte tijd een koppelsensor te ontwikkelen.”
Haptische toepassingen
De aandrijving wordt nu alleen in kleine hoeveelheden gemaakt voor de Universiteit van Lausanne. Faulhaber ziet echter ook andere 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”, aldus Schwenker.