Project March presenteert volledig dynamisch en breingestuurd exoskelet

De visie van studententeam Project March is om met technologie de kwaliteit van leven van mensen met een dwarslaesie te verbeteren. Met een exoskelet – een gemotoriseerd robotisch pak – wordt het mogelijk dat iemand met een dwarslaesie weer op kan staan en lopen. Vrijdag 19 augustus is het nieuwe prototype van het March VII-exoskelet gepresenteerd.

Project March presenteert volledig dynamisch en breingestuurd exoskelet

Tijdens het Project March-evenement in de Maassilo in Rotterdam liet het studententeam in een live demonstratie de verschillende vernieuwingen aan het exoskelet zien. Koen van Zeeland, de bestuurder van het exoskelet, heeft een pad afgelegd met meerdere obstakels waarmee het team erin is geslaagd om volledig dynamisch te lopen. Bovendien heeft Project March voor het eerst het exoskelet laten lopen door middel van breinaansturing.

Dynamisch lopen

Scheefliggende stenen, opstapjes en onverwachte obstakels: het overwinnen hiervan is met de March VII een stuk eenvoudiger geworden. Dankzij twee dieptecamera’s wordt de omgeving gescand en is het mogelijk om voor iedere stap de ideale voetpositie te bepalen. De dieptecamera’s zijn de ogen van het exoskelet. Net als bij het biologische proces extraheert de camera 3D-informatie uit digitale beelden door informatie over een scène vanuit twee gezichtspunten te vergelijken.

De software vertaalt deze informatie in gebieden waar het exoskelet kan lopen en berekent hoe de stappen moeten worden aangepast. March VII ontwierp een computervisie-algoritme dat in elke omgeving veilige posities kan bepalen om naartoe te stappen. Het algoritme zoekt naar gebieden die redelijk vlak zijn en groot genoeg zijn om een hele voet te plaatsen. Als vanuit deze positie geen stap gevonden kan worden, kijkt het algoritme om dat punt heen om alternatieven te vinden. Dit ene algoritme wordt gebruikt voor alle terreinen. Er is ook een nieuw, flexibel algoritme ontworpen. Dit algoritme berekent de exacte bewegingen die nodig zijn om de gewenste voetposities te bereiken

De looppatronen die met dit algoritme worden gegenereerd, zijn dynamische gangen. Eerder was het bijvoorbeeld nodig om voor ieder opstapje te stoppen en een looppatroon te kiezen voordat doorgelopen kon worden. Dit jaar zijn de voorgeprogrammeerde looppatronen door deze dynamische manier van lopen verleden tijd geworden.

Evenwicht

Door de uitdaging van oneffen terrein is evenwicht nog belangrijker dan in voorgaande jaren. Het exoskelet mag geen stap zetten als het gewicht van de piloot zich nog boven de voet bevindt. Het optillen van deze voet creëert nog meer instabiliteit. Om te weten op welke voet het gewicht van de piloot rust, zijn drukzolen nodig. Deze zolen meten de druk op verschillende plaatsen in de voet, waardoor een nauwkeuriger schatting van het evenwicht van de piloot mogelijk is.

Gewrichten

De gewrichten van het exoskelet zijn van groot belang. Het March VII-exoskelet heeft een gemotoriseerde heup, knieën en enkels. De translatiegewrichten zijn dit jaar het sterkst verbeterd. De kracht van de translatiegewrichten is vergroot door de centrale actuator te verbeteren met een aangepast motorontwerp dat binnen de ontwerpruimte past. De hefboomarmen en spillen in elk gewricht zijn vervangen om een groter bewegingsbereik mogelijk te maken. Dit resulteert in gewrichten die meer dan drie 3 keer sterker zijn en een minstens 15 procent groter bewegingsbereik hebben.

Veer

Tijdens het lopen ontstaat een beweging die bekend staat als ‘afzetten’. Wanneer je loopt, bestaat een deel van je stap uit het afzetten van je achterste been met je tenen. Deze afzet helpt bij het creëren van de voorwaartse beweging die nodig is voor een natuurlijk looptempo. Het verplaatsen van het volledige gewicht van mens en machine vereist een kracht die de gewrichten momenteel niet kunnen leveren. Dit wordt ondervangen door een veer toe te voegen. De veer laat nog steeds de volledige bewegingsvrijheid van de gewrichten toe, terwijl hij in de enkel de extra kracht levert die nodig is voor de afzet.

Naar buiten

March VII wil op elk moment naar buiten kunnen, maar elektronica is niet blij met bepaalde weersomstandigheden. Voor een spatwaterdicht ontwerp zijn slimme oplossingen bedacht. Door de scheidingslijnen van de afdekkingen te laten overlappen, afdichtingen aan te brengen en open ruimtes bij de verbindingen te beperken, kan water niet naar binnen sijpelen. Als er toch water binnensijpelt, zijn er goten in de afdekkingen aangebracht die het water weer naar buiten leiden.

Ook in de elektronica zelf is het nodige verbeterd, bijvoorbeeld voor een stabielere stroomtoevoer en betere communicatie. Nauwkeurige temperatuursensoren zijn toegevoegd aan de verbindingen en andere belangrijke plaatsen om gevaarlijke situaties en onherstelbare schade te voorkomen. Kabels worden opgeborgen achter een scharnierend deurtje, waarop de elektronica wordt bevestigd. Dit ontwerp vermindert het risico van beschadiging door het verkeerd klemmen van kabels of het aanraken van onderdelen. Het voordeel is ook dat elektromagnetische interferentie wordt verminderd.

Lopen door te denken

Dit jaar is een gigantische stap gezet in de exoskelettechnologie op het vlak van breingestuurd lopen. Het zevende team van Project March heeft na veel onderzoek op dit gebied laten zien dat aansturen van het exoskelet mogelijk is met elektro-encefalografie (EEG). Op het moment dat bestuurder Koen, denkt aan lopen, worden deze signalen door middel van EEG waargenomen en gestuurd naar het exoskelet. Hierdoor wordt het exoskelet aangestuurd en begint Koen met lopen. Ditzelfde geldt voor het stoppen met lopen.

Ook het ‘input device’ op de kruk heeft vernieuwing ondergaan. Het input device zorgt ervoor dat de piloot met het exoskelet kan communiceren. Dit jaar bestaat deze uit een smartphone met een zelfontwikkelde applicatie. De draadloze communicatie tussen de smartphone en het exoskelet komt tot stand via een lokaal wifi-netwerk. De applicatie is gebruiksvriendelijk en intuïtief, zodat de piloot hier snel en makkelijk mee kan werken.

Gebruiksvriendelijker

De gebruiksvriendelijkheid voor de piloot stond dit jaar centraal binnen de ontwikkeling van het nieuwste exoskelet. Zo kan Koen nu met zijn eigen schoenen in het exoskelet stappen. Het studententeam heeft dit mogelijk gemaakt door een klikmechanisme te ontwikkelen waarmee Koen zijn schoenen vast kan maken aan de voetplaat van het exoskelet. Op deze manier is het eenvoudiger om in en uit het exoskelet te gaan.

De armaturen zijn de onderdelen die de piloot met het exoskelet verbinden. Deze gaan rond de benen en de buik van de piloot, dragen zijn gewicht en zijn precies gevormd naar het lichaam van de piloot. Deze bevestigingen moeten worden vastgezet terwijl de piloot zit. March VII wil dat de piloot alle bevestigingen zelf kan sluiten. Om de bevestigingen aan de onderbenen en voeten te kunnen bereiken, moet hij voorover kunnen leunen. Door de rompbevestiging zowel lager te maken als minder voor de buik te plaatsen, heeft de piloot meer bewegingsvrijheid om de beenbevestigingen te verstellen.

Dit artikel verscheen in Aandrijven en Besturen 4

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *