Hoe ontwerp je een exoskelet?

Een exoskelet moet licht, compact, krachtig, betrouwbaar en gemakkelijk te gebruiken zijn. Is er iets makkelijker? Met wisselend succes beoefenen ontwikkelaars over de hele wereld deze discipline. Christian Bermes, hoofd van het VariLeg enhanced team, legt uit waar het op neerkomt.

Mechanica

"Als je de menselijke manier van lopen na gaat bootsen met mechatronische systemen, is dat een enorme technische uitdaging. De exoskelet die de persoon ondersteunt, moet zo licht mogelijk maar tegelijkertijd robuust zijn, omdat elke extra kilogram gevolgen heeft voor de aandrijfsystemen. Daarom kiest men voor de exoskeletten vaak voor lichte materialen zoals koolstof. Het is ook belangrijk dat het exoskelet niet te breed is, want de gebruiker moet zonder problemen door elke deur kunnen."

Aandrijvingen

"De aandrijfsystemen, bestaande uit een motor en een overbrenging, moeten over een hoog koppel beschikken. Er werken enorme krachten op de exoskelet, vooral bij het op- en aflopen van trappen. Aangezien de motoren door de loopbeweging voortdurend van draairichting moeten veranderen, is tegelijk een hoge mate van dynamiek noodzakelijk. Het laatste punt op het verlanglijstje is een compact design dat zo min mogelijk ruimte inneemt."

Gebruikersinterface

"De gebruikers moeten volledige controle over hun loop hebben, dus is het belangrijk dat de besturing gemakkelijk toegankelijk en intuïtief is. Om ervoor te zorgen dat de interface de grote krachten op betrouwbare wijze overbrengt en tegelijkertijd de gevoelige huid van de drager beschermt, moet hij bovendien aan de benen en de romp van de drager worden aangepast."

Drager en ervaring

"Dit is misschien wel het belangrijkste punt. Hoe goed een exoskelet in de praktijk werkt, hangt met name af van de drager. Deze moet eerst aan de robotondersteuning wennen, d.w.z. de drager moet leren hoe hij deze het beste kan gebruiken. Voor sommige mensen gaat het meer om kracht, voor anderen meer om techniek. Hoe dan ook vergt het buitengewoon veel training."

Vrijheidsgraden

"Hoeveel vrijheidsgraden zijn nodig? Dat is een lastige vraag. Ontwerpers van exoskeletten kiezen vaak voor twee vrijheidsgraden per been, waarbij alleen de heup en de knie bewegen. De voordelen hiervan zijn: minder gewicht, een eenvoudiger besturingssysteem en dus minder bronnen van fouten. Drie of vier vrijheidsgraden zijn echter mogelijk. Dit betekent bijvoorbeeld dat een zijdelingse beweging mogelijk is of de enkel extra bestuurd kan worden. Het geeft de drager extra bewegingsvrijheid en meer stabiliteit op oneffen terrein. Aan de andere kant maakt dit het hele systeem zwaarder en complexer, en vermindert het daarnaast de levensduur van de accu."

Software

"Op het eerste gezicht lijken minder vrijheidsgraden simpel. In detail is de uitvoering echter veel complexer. Dit komt omdat veel verschillende bewegingen moeten worden gecontroleerd en omdat ongelukken door veiligheidsvoorzieningen moeten worden voorkomen. Daarnaast moet het complete exoskelet in samenwerking met de drager verder worden ontwikkeld. Dat kan alleen met een uitvoerbare softwarearchitectuur."

Christian Bermes is teambaas bij VariLeg enhanced en professor voor Automation and Mechatronics aan de HSR University of Applied Sciences, Rapperswil.

Nieuw VariLeg exoskelet met twee sterke motoren

De VariLeg enhanced team ontwikkelt en bouwt een exoskelet voor de Cybathlon 2020. Het lopende project heeft echter weinig te maken met het VariLeg-team van ETH Zürich dat in 2016 deelnam. De ontwikkeling van het huidige exoskelet was een studentenproject. Een gemengd team van de ETH Zürich en de HSR University of Applied Sciences Rapperswil werkt nu aan de voltooiing van het robotsysteem. Het systeem heeft twee vrijheidsgraden. Er zijn twee borstelloze platte motoren van maxon aan elke kant ingebouwd om de heupen en knieën te bewegen. Deze leveren maximaal 600 W.

Otto Ineichen, business development manager Medical bij maxon: "Aandrijvingen voor exoskeletten moeten vooral licht zijn. En wat ook belangrijk is, is dat hun totale hoogte laag uitvalt. Tegelijkertijd zijn echter hoge vermogensdichtheden en dynamiek vereist, omdat de motoren vaak en heel snel van draairichting moeten veranderen. Bij maxon ontwikkelen we momenteel een nieuwe productlijn met motoren die speciaal op de vereisten van de robotica-markt zijn toegesneden. Deze nieuwe aandrijvingen zijn gebaseerd op het EC-i frameless concept. Afhankelijk van de toepassing en de vereisten kunnen ze worden gecombineerd met geschikte overbrengingen."