Draagbare robots

Exoskeletten

Robotpakken die mensen bovennatuurlijke krachten geven, of verlamde mensen terug op de been helpen. Tot voor kort was het pure science fiction, maar robotica-experts voorspellen dat draagbare robots de komende jaren steeds vaker in het straatbeeld zullen opduiken.

Een robotpak vormt een extern skelet dat strak om het lichaam van een menselijke drager zit. Het voelt bewegingen en ondersteunt die zo natuurlijk mogelijk, waardoor wie het pak aantrekt ‘bovennatuurlijke’ krachten krijgt, of zonder moeite zijn fysieke grenzen verlegt. De hybride mens-robot combineert het beste van twee werelden: de kracht van een robot en de intelligentie van de menselijke drager.

Potentieel ontwikkel je zo een echte superheld. Logisch daarom dat robotpakken aanvankelijk vooral voor militaire doeleinden – de supersoldaat - werden ontwikkeld. De Verenigde Staten pronkten al in de jaren zestig met Hardiman, een exoskelet dat recht uit een actiefilm lijkt te komen. De ‘soldaat van morgen’ moest dankzij het robotpak zware pakketten kunnen dragen, langer marcheren en bergen werk verzetten. Hoewel de ontwikkelaars goede resultaten bereikten met de ondersteunende robotarmen, bleek het lange tijd onhaalbaar om een vloeiende beweging uit de benen te krijgen. Tegenwoordig zijn de militaire robotpakken, die met de steun van DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) worden ontwikkeld, een stuk meer draagbaar.
 
Het exoskelet van het Amerikaanse bedrijf Raytheon Sarcos, de XOS, registreert aan de hand van sensoren welke spieren de drager gebruikt, waarna een computer dit doorgeeft aan een hydraulisch pompsysteem. Dat ondersteunt vervolgens de beweging van de drager, waardoor die een gewicht van vijftig kilogram als slechts vijf kilogram ervaart. Het systeem kent helaas nog altijd een ernstige beperking: het robotpak is via een kabel bevestigd aan het pompsysteem, dat energie haalt uit een externe stroombron. Het pak is met andere woorden dus niet ‘draadloos’ – vrij onhandig op het terrein. Toch wil het Amerikaanse leger voor 2015 de éérste testen in conflict gebied uitvoeren. De ‘draadloze’ versie wordt tegen 2020 verwacht.


DE XOS doet gewichten tien keer lichter voelen.

Superarbeider
Hoewel oorspronkelijk voor militaire doeleinden ontwikkeld, hebben robotpakken vandaag vooral vredige toepassingen: ter ondersteuning tijdens revalidatie, het verlichten van zware arbeid of het langer mobiel houden van ouderen of mensen met een handicap.

Naast de Verenigde Staten zet ook Japan sterk in op de ontwikkeling van ondersteunende robotpakken. Al in 2008 kwam daar voor het éérst een exoskelet op de markt. Het Hybrid Assistive Limb (HAL) wordt onder andere gedragen door verpleegsters die zo zware opdrachten (zoals het verplaatsen van immobiele patiënten) toch ‘eigenhandig’ kunnen uitvoeren. Ook voor repetitieve arbeid - zoals fruitplukkers of arbeiders aan de lopende band – beloven robotpakken het werk te verlichten.


Het Japanse Hybrid Assistive Limb (HAL) is al enkele jaren op de markt.

Revalidatie
Onderzoekers aan de Universiteit Twente ontwikkelden Lopes, een robot die patiënten met neurologische aandoeningen – na een beroerte of blessure aan de ruggengraat - helpt om terug te leren lopen. De robot neemt eigenlijk het werk van fysiotherapeuten over die normaal de revaliderende patiënt handmatig ondersteunen, een fysiek zeer belastende taak. Patiënten wandelen op een loopband, in een ondersteunend harnas. De robot past automatisch de ondersteuning aan zodat de revaliderende patiënt enkel de minimaal noodzakelijke ondersteuning krijgt. Naarmate de patiënt zelf meer kan, vermindert ook de ondersteuning. Zo leert het lichaam uiteindelijk terug volledig zelfstandig bewegen.

Zes procent efficiënter wandelen
Bewegingswetenschappers van de Universiteit Gent bespreken deze week in PLoS One een exoskelet dat de afduwbeweging van de voet ondersteunt. Volgens betrokken onderzoeker Philippe Malcolm gaat het om het eerste exoskelet waarmee het energieverbruik van de drager daalt onder het niveau van wandelen zonder exoskelet: ‘Bij de huidige exoskeletten wordt het effect van de ondersteuning teniet gedaan door de toegenomen hinder vanwege het gewicht van het pak en de belemmering van bewegingen.'
 
'Een mogelijke verklaring hiervoor is een beperkte kennis over hoe de interactie tussen robot en mens gebeurt. Er is bijvoorbeeld nog geen consensus over wat de optimale timing is om de afduwfase van de enkel te ondersteunen: op welk moment begint en stopt men het best met assisteren om een maximale assistentie en een minimale hinder te verkrijgen? In een gemeenschappelijk project met het lab biomechanicus Dirk De Clercq en fysioloog Wim Derave ontwikkelden we nu een eenvoudig exoskelet dat dankzij een geoptimaliseerde timing van aandrijving de metabole energiekost voor de drager met zes procent doet dalen tot onder het niveau zonder exoskelet. Vrij vertaald wil dit zeggen dat men met het exoskelet zes procent verder of 0.2 km/u sneller kan wandelen met dezelfde hoeveelheid energie uit voedsel dan met normale schoenen.’

 
Wanneer de baan op?
De draagbare robots die vandaag gebruikt worden bij revalidatie hangen meestal vast aan een loopband. Echt ver kom je er dus niet mee in dagelijkse situaties. Onderzoekers van het Vlaamse project MIRAD, waarbij ook de Vrije Universiteit Brussel en de KU Leuven betrokken zijn, hopen daarom in de komende vier jaar een echt mobiele assistentierobot te ontwikkelen. Voor dagelijks gebruik. Het pak moet minder mobiele ouderen toelaten om langer op de been te blijven, en dus langer zelfstandig te leven. Met het pak moeten ze meer afstanden te voet kunnen afleggen en makkelijker trappen op- en aflopen.


Rex is zelfstabiel, zelfs wanneer de stroomvoorziening wegvalt.

Vooraleer het zover is moeten nog een aantal obstakels overwonnen worden. Zo moet de prijs omlaag. De REX, een Nieuw-Zeelandse mobiele assistentierobot die sinds 2011 op de markt beschikbaar is, kost bijvoorbeeld meer dan honderdduizend euro. Verschillende onderzoeksgroepen ontwikkelen daarom meer minimalistische, en dus meer toegankelijke, robotpakken. Het idee is een exoskelet dat enkel de noodzakelijke basisbewegingen aankan, zoals opstaan, gaan zitten, wandelen en een drempel op- en afstappen.

Het exoskelet van de Vanderbilt University is daarvan een voorbeeld. Volgens de ontwikkelaars werkt het robotpak zoals een Segway: Wanneer de drager naar voor leunt, bewegen de robotbenen voorwaarts. Als de persoon achteruit leunt, en die positie enkele seconden vasthoudt, ondersteunen de robotbenen een zitbeweging. Om terug uit een stoel recht te staan, leunt de patiënt opnieuw enkele seconden naar voor.

Voor gebruik in het dagelijkse leven moeten robotpakken ook zonder externe voeding aan energie kunnen komen. Batterijen moeten tegelijk veel inhoud hebben om lang mee te gaan en licht genoeg zijn om draagbaar te blijven. Uit het onderzoek aan de Universiteit Gent blijkt dat het vereiste vermogen theoretisch gezien uit het afremmen van de zwaaifase in de knie gehaald zou kunnen worden. Dat afremmen komt spontaan voor tijdens de wandelbeweging – het plooien van de knie wanneer de voet na een stap de grond raakt. Philippe Malcolm: ‘Uit die rembeweging kan energie gehaald worden. Dit zou volgens een gelijkaardig principe gebeuren als het regenereren van het remvermogen in hybride wagens. Het is dus in theorie mogelijk om volledig mobiele exoskeletten te bouwen die de metabole energiekost van wandelen verminderen zonder beperking in batterijvermogen.’


 
Ook de interactie tussen robot en gebruiker kan beter. Daarom ontwikkelen Europese onderzoekers van het project Mindwalker, waarbij ook de Universiteit Twente en de Technische Universiteit Delft betrokken zijn, robotbenen die aangestuurd worden op basis van hersensignalen. Het enige wat de patiënt moet doen, is aan lopen denken. De komende jaren gaan de onderzoekers het pak uitgebreid testen in dagelijkse situaties, van in de tuin wandelen tot door een drukke winkelstraat wandelen. Ze hopen dat het robotpak over een tiental jaar in het straatbeeld zal verschijnen.

Veel dank aan roboticus Bram Vanderborght van de Vrije Universiteit Brussel voor de hulp bij het samenstellen van dit artikel.


Reageer via Facebook