Systemen voor technische ondersteuning: High-tech en sport gecombineerd

De Cybathlon 2024 staat voor de deur en het nieuwkomersteam RISE van de Technische Universiteit van Berlijn is druk bezig om zijn exoskelet voor dwarslaesiepatiënten af te maken: een actuele blik op de voortgang, uitdagingen en samenwerking met partners.

Normaal jagen ijshockeyspelers de puck over het ijs in de Swiss Arena in Kloten, kanton Zürich in Zwitserland. Maar van 25 tot 27 oktober wordt het opnieuw omgetoverd tot een centrum voor technologische innovatie: de Cybathlon 2024 staat voor de deur.

Tijdens deze internationale wedstrijd, georganiseerd door de ETH Zürich, strijden mensen met een lichamelijke beperking in disciplines die relevant zijn voor het dagelijks leven, ondersteund door hightech hulpsystemen. dit jaar hebben 77 teams van over de hele wereld zich ingeschreven. Het RISE-team (Research and Innovation in Student Exoskeleton Development) van de Technische Universität (TU) Berlijn doet voor het eerst mee met zijn exoskelet.

140 studenten betrokken bij het exoskelet

"De Cybathlon was altijd al een droom! In oktober 2022 lanceerden we samen met het studenteninitiatief 'Socially Engaged Engineers' RISE als praktische module aan de TU Berlijn om mensen met een dwarslaesie te laten opstaan en lopen," zegt Lukas Schneidewind. Hij is teamleider en onderzoeksassistent bij de afdeling Medische Technologie van het Instituut voor Machineontwerp en Systeemtechniek aan de TU Berlijn.

In totaal hebben 140 studenten vier semesters lang enthousiast gewerkt aan de ontwikkeling en constructie van een robotisch exoskelet. De meeste leden komen uit technische disciplines zoals werktuigbouwkunde, elektrotechniek en elektronica, maar ook regeltechniek en simulatie. Er is echter ook vraag naar niet-technische kennis: van biomechanica tot gebruikersinterface en gebruikerservaring, ontwerp, psychologische aspecten, sponsorwerving en public relations.

"Transdisciplinair werken is verrijkend"

"De projectworkshop stelt ons in staat om uit de sterk gefocuste onderwijsomgeving aan de universiteit te stappen en op een transdisciplinaire manier te werken - net als later in ons professionele leven," zegt Magnus Meyer, co-leider van het RISE-team en Human Factors masterstudent aan de TU Berlijn.

Interdisciplinair denken is in het geval van het exoskelet om nog een andere reden relevant: de mens is immers direct verbonden met de machine. Meyer beschrijft de interactie met de dwarslaesiepiloten als een hoogtepunt, omdat het team directe feedback krijgt over de gebruiksvriendelijkheid en uitvoerbaarheid van de ontwikkeling.

Directe interactie tussen mens en machine

In gesprekken met bedrijven en potentiële partners uit de industrie realiseerden de studenten zich al snel hoe divers het toepassingsgebied van exoskeletten is. "Veel mensen associëren exoskeletten vaak met het vergemakkelijken van het werk, bijvoorbeeld om de rug van werknemers te ontlasten op productielijnen die de bewegingen van de gebruiker volgen," zegt Magnus Meyer.

Meyer vervolgt: "In ons geval biedt het echter niet alleen verlichting, maar als aangedreven orthese vervangt het volledig de spierkracht van de benen (heup-, knie- en enkelspieren) en leidt het de ledematen in een ergonomische beweging." Lukas Schneidewind voegt hieraan toe: "Het feit dat de technische vereisten voor een dergelijk systeem, dat wordt gebruikt om dwarslaesiepatiënten te mobiliseren, heel anders zijn dan andere systemen, was en is nog steeds een grote communicatie-uitdaging."

Een andere uitdaging voor het RISE-team is het voortdurend bijwerken van de juiste technische vereisten voor het systeem met de bevindingen van de trainingssessies. Om de natuurlijke loopbeweging met een exoskelet optimaal te reproduceren en het zwaartepunt tijdens het lopen te kunnen regelen, zijn er vlakke tandwielen en motoren nodig die dicht bij het lichaam liggen.

Speciale vereisten voor de technologie

De studenten installeerden daarom borstelloze EC frameloze Dynamique koppelaandrijvingen in de maten 65 en 85 mm van maxon in de heup- en kniegewrichten. De BLDC-motorkits met interne rotortechnologie werden speciaal ontwikkeld voor zogenaamde robotgewrichten, d.w.z. gewrichten in de robotica-omgeving.

Ze zijn bijzonder krachtig, robuust en compact. "We leveren deze nieuwe aandrijvingen zonder kogellagers; de gebruiker slaat de rotor- en statorunit zelf op", zegt Falko Simon, Area Sales Manager bij maxon. Hij voegt eraan toe: "De aandrijving haalt ook hoge koppels tot 300 Nm, wat nodig is voor korte perioden waarin mensen op hun knieën zitten of hoge trappen beklimmen. Dit maakt hem perfect voor gebruik in de Cybathlon."

Een ander bijzonder kenmerk is dat de maxon-motoren en de tandwielkasten van fabrikant Ovalo, een dochteronderneming van Nabtesco Europe, één geheel vormen. Falko Simon: "De tandwielkasten hebben een zogenaamde pannenkoekvorm en we hebben onze DT-aandrijvingen in de tandwielkasten geïntegreerd. Het geheel is praktisch één product, wat betekent dat we een extreem platte eenheid hebben gecreëerd." Dankzij de open en coöperatieve sfeer was het mogelijk om binnen een paar weken pragmatische oplossingen te vinden, zegt Lukas Schneidewind. Falko Simon voegt hieraan toe: "De studenten waren ook erg enthousiast om onze expertise als industriële partner te leren kennen, wat erg leuk was."

Toekomstperspectief: exoskelet zonder krukken

De studenten leggen momenteel de laatste hand aan het implementeren van de software en het aanpassen van de individuele bewegingspatronen voordat de laatste trainingssessies met de twee piloten voor de Cybathlon beginnen. Met het oog op de toekomst heeft teamleider Schneidewind al specifieke doelen voor ogen: "We hebben nu een eerste basis, maar op de lange termijn kunnen we zeker nog afslanken. Met ongeveer 80 kilo is het exoskelet momenteel een erg zwaar systeem, maar het kan bijvoorbeeld gemakkelijk een hoge trede beklimmen. Bestaande systemen kunnen dit niet zonder zich stevig vast te houden. Werken zonder krukken is het grote doel."

Maar voor nu kijkt het team uit naar de Cybathlon. "Als we sommige taken kunnen voltooien, hebben we al een enorm succes behaald - en dat binnen twee jaar, terwijl andere teams al meer dan tien jaar bezig zijn."

Copyrights voor afbeeldingen: Christian Kielmann