Studenten TU Delft presenteren exoskelet voor deelname aan bionische spelen

Een team van studenten aan de TU Delft heeft vrijdagavond een ontwerp van een exoskelet gepresenteerd, dat gemaakt wordt om dwarslaesiepatiënten weer te kunnen laten lopen. Met de 'March' wil het team in oktober deelnemen aan de Cybathlon, de eerste 'bionische spelen'.

Het team van Project March maakt een verstelbaar prototype, maar zal zich vervolgens richten op een exoskelet dat op maat gemaakt wordt voor Claudia Commijs. Zij liep 11,5 jaar geleden een dwarslaesie op en kan daardoor niet meer lopen.

Dwarslaesiepatiënten kunnen niet voelen waar hun benen zitten ten opzichte van hun lichaam. Het March-exoskelet moet door de drager bediend worden door de houding van het bovenlichaam en de plaatsing van de krukken. Volgens de studenten worden in veel gevallen de gebruikers van huidige exoskeletten 'gelopen' als een passagier. Project March moet de controle aan de gebruiker geven. De studenten verwachten dat het exoskelet met een kleine leercurve intuïtief te gebruiken is.

De March is volgens de studenten grensverleggend als het gaat om bewegingsvrijheid, door gebruik van Series Elastic Actuators. Deze dienen als de gewrichten van het exoskelet en hebben zeer nauwkeurige elektromotoren die door gebruik van een spiraalveer bewegingen ook natuurlijker kunnen maken. Met de techniek moet het mogelijk worden om te lopen over oneffen terrein, of om bijvoorbeeld een trap in huis op en af te gaan.

Helaas!
De video die je probeert te bekijken is niet langer beschikbaar op Tweakers.net.

De basis van het exoskelet is gebaseerd op de MindWalker, die in 2013 werd ontwikkeld door onder meer de TU Delft en Universiteit Twente. Het doel van dat project was om een exoskelet te maken dat met behulp van hersensignalen bediend kan worden. In de praktijk bleek dat niet haalbaar te zijn. De MindWalker had een gewicht van 35kg en moest met een ethernetkabel verbonden zijn bij gebruik, omdat de computer niet in het exoskelet was geïntegreerd. Bij de March is dat wel het geval en het exoskelet kan dan ook zonder kabels gebruikt worden.

De MindWalker kon zo'n anderhalf uur gebruikt worden op een acculading. Hoe lang de March zonder stroom kan is nog niet duidelijk. Het eerste prototype zal zo'n 25kg wegen. Dat gewicht moet nog lager kunnen, door een custom frame te ontwerpen dat volledig is afgestemd op de drager. Daarvoor zullen 3d-scans van de benen van Claudia gemaakt worden. Wat het uiteindelijk gewicht van het exoskelet wordt is nog niet duidelijk, het team moet nog een keuze maken uit verschillende materiaalsoorten voor het frame.

Het ontwerp van de March is ten opzichte van de MindWalker aangepast en verbeterd. Zo is er een nieuwe constructie gemaakt voor de enkels, die preciezere plaatsing van de voet mogelijk maakt. Het exoskelet wordt aangestuurd door Simulink-software met een Speedgoat-systeem, dat is voorzien van een Intel Core i7-processor en 4GB ram. Het exoskelet maak voor de acquisitie en verwerking van de data die nodig is voor het bewegen gebruik van Xilinx Zynq-fpga's met twee ARM-cores. Alle hardware op het skelet communiceert via EtherCAT met een snelheid van 100Mbit/s.

De studenten laten aan Tweakers weten dat Claudia momenteel traint onder begeleiding van de Sint Maartenskliniek, een van de partners van het project. Die kliniek kwam eind vorig jaar in het nieuws toen een exoskelet werd getoond waar een dwarslaesiepatiënt mee kan lopen. Dat ging om de ReWalk, een exoskelet van een commercieel bedrijf. Claudia traint momenteel ook met dit skelet als voorbereiding op haar training in de March. Het verschil tussen de twee exoskeletten is volgens de studenten onder andere de aanwezigheid van het extra heupgewricht in de March, waardoor zijwaartse beweging mogelijk is. Het gewricht zorgt er ook voor dat het zwaartepunt zijwaarts verplaatst kan worden, voor betere controle en stabiliteit.

Project March is een non-profitorganisatie en afhankelijk van partners die het project ondersteunen door bijvoorbeeld onderdelen te leveren. Momenteel zijn alle onderdelen voor het eerste prototype geproduceerd en op 17 maart moet het exoskelet mechanisch grotendeels gereed zijn. Vervolgens wordt de software in het exoskelet geprogrammeerd en als alles volgens planning verloopt kunnen in april de eerste stappen gezet worden.

Het doel is om vervolgens op 8 oktober deel te nemen aan de Cybathlon in Zürich, de eerste wereldspelen voor bionische para-atleten. Claudia gaat daar met het exoskelet meedoen aan de Powered Exoskeleton Race, waarin diverse academische en commerciële teams van over de hele wereld strijden om de winst.

Reacties (31)

[CMSTRR]

In 1995 is er een rapport opgesteld waar Matthew M. Williamson de hele techniek achter March heeft ontworpen.

http://www.google.nl/url?...8uP6d4kBO2J7oMUaWGsnmS-8A

[Ortixx]

Series Elastic Actuators zijn inderdaad niets nieuws in de robotica. De form-factor daarentegen is wel vernieuwend. Normaliter zijn SEA's vrij vors en lomp met de koppeldichtheid die wij gebruiken. Alhoewel onze SEA ook nog steeds relatief groot is kan die naar alle waarschijnlijkheid veel kleiner met de volgende iteratie van de MARCH. De grootte van de SEA is namelijk gedefinieerd door de spiraalveer die we direct uit de MindWalker hebben overgenomen en de diameter van de elektromotor. Daar zijn al nieuwe ideeën over waarmee de SEA een stuk kleiner kan worden!

[pwghost]

Thx for the share very interesting !

[SomerenV]

Ik vraag me af of het ooit mogelijk gaat zijn om de energie die het lichaam zelf opwekt om te zetten naar bruikbare energie voor een exoskelet. Met wat eten en drinken is ons lichaam in staat prachtige dingen te doen, dus dat zou (lijkt mij) ook wel mogelijk moeten zijn voor externe apparatuur.

Stel je voor, dat een robot van Boston Dynamics zichzelf op de been kan houden door gewoon wat te eten/drinken. Of dat een exoskelet grotendeels onzichtbaar is omdat er nagenoeg geen gigantische accu's nodig zijn.

[teacup]

Misschien kan iets gedaan worden met de bewegingsenergie uit de lichaamsdelen die nog wel op spierkracht kunnen bewegen. Ook produceren wij een hoop warmte. Deze link licht wat toe over de energiehuishouding van het menselijk lichaam.

• Wandelen 3,2km/uur 3,0 kcal/kilogram lichaamsgewicht per uur
• Wandelen 4,0km/uur 4,0 kcal/kilogram lichaamsgewicht per uur
• Wandelen 5,6km/uur 5,5 kcal/kilogram lichaamsgewicht per uur
• Hardlopen 8,0km/uur 8,0 kcal/kilogram lichaamsgewicht per uur
• Hardlopen 10,0km/uur 10,5 kcal/kilogram lichaamsgewicht per uur
• Hardlopen 12,0km/uur 12,5 kcal/kilogram lichaamsgewicht per uur
• Hardlopen 15,0km/uur 15,5 kcal/kilogram lichaamsgewicht per uur
• Slapen 80 kcal/uur
Een man en vrouw met een matig intensief leven (=gemiddeld Nederlands leefpatroon) hebben respectievelijk 2500 en 2000 kcal nodig. Een wielrenner in de Tour de France kan tot wel 9000 Kcal nodig hebben.

Jammer aan dit soort bronnen is dat ze zich beperken tot een praktisch oogpunt. Liever had ik een pijlengrafiek gezien waar de 2000 kCal zo aan op gaat. Zo vertegenwoordigt de energie, nodig om ons lichaam op 37 graden Celsius te houden, al meer dan de helft van onze (normale) energiebehoefte. Energiebehoefte voor mensen met weinig beweging is trouwens maar 1500 kCal (vrouwen) en 2000 kCal (mannen).

Als wij met beweging van onze gezonde ledematen of met warmteproductie energie opwekken voor een accupakket dat is dit minder efficiënt dan dat wij ons voedsel direct omzetten in spierkracht. Dit heeft te maken met verliezen in het transport van de energie, waarbij ik er vanuit ga dat warmte via de huid wordt overgedragen, en met de energieomzettingen die in het accupakket plaatsvinden. Kunst wordt nog wel om bijvoorbeeld die warmte energie goed toegankelijk te krijgen. De oplossing kan best draconisch worden en de gemiddelde invalide doen terugschrikken. Positief is wel dat door de inefficiëntie in de energieoverdracht een invalide misschien wat meer kan eten dan een persoon gezond van lijf en leden met een vergelijkbaar bewegingspatroon.

Edt:taal

[Reactie gewijzigd door teacup op 24 juli 2024 15:30]

[Cerberus_tm]

Goh, dat is eigenlijk ongeveer 1 kcal/kmpu/kg/uur. Nooit geweten dat het zo'n makkelijk getal was. Kmpu = kilometer per uur (snelheid).

[teacup]

Een leuke kijk op de informatie! Het klinkt inderdaad best wel efficiënt, maar vergeet de kilo's niet. Voor het kader vroeg ik mij af hoe ons energieverbruik zich verhoudt met dat van bijvoorbeeld een auto. Deze bron doet een voor de vuist weg berekening van het verbruik van een auto bij eenparige snelheid (niet versnellend dus).

Ergens (p29) in deze bron waarnaar mijn eerste bron aan verwijst, neemt een verbruik van 12 Liter brandstof per 100 km aan. Een liter brandstof vertegenwoordigd 10 kWh aan energie. Een auto heeft dus voor 100 km 120 kWh aan energie nodig.

Kijkende naar de energie die de mens nodig heeft. 1 kCal ~ 0.0011629995 kWh. Dit zou betekenen dat wij hardlopend 15 km/h de volgende energie nodig hebben, ga maar even uit van mijn gewicht van 85 kg (ben niet zo dik hoor, alleen wat langer):
100km/(15km/h)*85kg*15,5kCal/kg*h*0.0012kWh/kCal=10.54 kWh. En dat met als enige bijproducten is uitademen en hier en daar een boertje en een windje.

Nu is dat vergelijk niet helemaal eerlijk. Die auto is bijna 7x sneller, en snelheid kost meer vermogen. Nu laat de eerste bron in haar afleiding zien dat luchtweerstand met snelheid flink toeneemt. Vertegenwoordigd ze een verbruik van 0.016L/km bij 50 km/h. Bij 100 km/h is dit verviervoudigd tot 0.064L/km. Als we een lineair verband aannemen, dan neemt per km/u snelheid het verbruik met 0.00096L/km toe. Zou de auto 15km/u rijden, dan heeft de luchtweerstand 0.016-(50-15km/h*0.00096L/km) = -0.0176 L/km nodig..... Ehmmm...... geen lineair verband dus, want de auto zou geduwd worden en voortdurend moeten afremmen. Laten we de luchtweerstand als verwaarloosbaar beschouwen. Volgens de eerste bron houden we dan alleen rolweerstand over. Deze factor is snelheidonafhankelijk en alleen gerelateerd aan de arbeid (~afstand). De rolweerstand vertegenwoordigd volgens de eerste bron 0.023 L/km aan brandstof.
Voor de 100 km is nu nodig: 0.023 L/km*100km*10kWh/L=23kWh.

Zo, punt gemaakt, een auto heeft ruim 2,5 keer meer energie nodig om met een snelheid van 15 km/h 100 km te verplaatsen . Voor de petrol heads onder ons heb ik nog wel een argument. Als ik uitga van een auto van 1200 kg en het resultaat terug reken per kg dan krijg ik: 23kWh/((100km/15km/h)*1285kg=0.0027kwh/kg*h. Voor de mens zou dit 15,5kCal/kg*h*0.0012kWh/kCal=0.186kWh/kg*h. Per gewichts en tijdseenheid is de auto efficiënter, maar heeft hiervoor wel 1200 kg extra nodig....

Per gewichtseenheid leveren wij mensen dus best veel vermogen, misschien zijn we nog geen mieren, maar voor een exoskelet ligt de lat dus best hoog. Ze zal echt met koolstofvezel moeten worden gemaakt om deze vermogen/gewicht verhouding te benaderen of te overtreffen.

edit: typo's

[Reactie gewijzigd door teacup op 24 juli 2024 15:30]

[Cerberus_tm]

Mooie berekening. Het enige is wel dat er wellicht vier mensen in die auto zitten.

[Zoop]

Ach, met zo'n exoskelet kan je later vast ook wel passagiers op je rug meenemen

[Cerberus_tm]

Lijkt me mooi! Heel chill ook als je slapend de stad door kunt lopen. En een boek uitzoeken in de winkel. Dan even wakker worden bij de kassa om af te rekenen.

[GoT.Typhoon]

Moet je wel een heel sterk hart hebben.

[Greyish]

Kan me voorstellen dat zoiets erg vermoeiend is voor de drager. Vrouwen die met een heel mensje in hun buik zitten hebben het ook zwaar...

Zou natuurlijk hartstikke gaaf zijn.

[PROCRASTINATOR]

Zou heel gaaf zijn. Ik acht de kans klein, net als een perpetuum mobile.

[Finraziel]

Toch niet echt vergelijkbaar... Een perpetuum mobile is volgens alle natuurwetten die wij nu kennen simpelweg onmogelijk. Er zijn in theorie diverse mogelijkheden waarmee een exoskelet de benodigde energie aan het menselijk lichaam kan onttrekken. Of ze ook praktisch uitvoerbaar zijn, dat is een heel ander punt natuurlijk, maar onmogelijk zal het niet zijn.

Wat anders...

Hoe lang de March zonder stroom kan is nog niet duidelijk.

Wat moet ik me daar bij voorstellen? Het klinkt alsof ie kapot gaat als je hem niet op tijd aan de lader hangt, lijkt me toch sterk (even afgezien van dat geen enkele accu het leuk vindt om volledig ontladen te zijn natuurlijk).

edit: Ah nevermind, ik zie nou hoe het bedoeld is. Ik had het verkeerd gelezen en dacht dat de voorgaande zin over hetzelfde apparaat ging, maar dat is dus dat eerdere apparaat dat het 1,5 uur uithoudt.

[Reactie gewijzigd door Finraziel op 24 juli 2024 15:30]

[Ortixx]

In de MARCH gebruiken we 2 batterijen waarmee we de elektronica scheiden van de motoren aangezien die enorme piek stromen trekken. De elektronica batterij is hierbij de bottleneck. Met 24V en 5Ah kunnen we de MARCH ongeveer een uur laten draaien. Dat is handig voor training maar voor de wedstrijd is de kans groot dat we veel kleinere batterijen gaan gebruiken, omdat die het daar niet zo lang vol hoeven te houden.

Tevens gebruiken we prototyping hardware om development makkelijker en sneller te maken (bv speedgoat). Dat is meestal niet geoptimaliseerd op stroomgebruik.

[LopendeVogel]

Tsja ik weet het niet, SomerenV heeft wel een punt, mede doordat het menselijk lichaam ook stroom bevat. Stroom wordt ook nog altijd gebruikt om mensen tot leven te wekken ( bijv hart stilstand ) dus ik weet niet weten hoe afhankelijk een mens van stroom is.

Daarbij zijn dit natuurlijk wel goede ontwikkelingen, ik ben ontiegelijk blij dat ik mijn armen,handen, benen en voeten kan gebruiken ondanks dat het voor de meeste vanzelfsprekend is. Ik moet er dan ook niet aan denken indien 1 van mijn ledematen ermee stopt. Dan is natuurlijk een product als dit voor de ''rijke'' bedoelt op het begin, maar indien dit op den duur gemeenschap wordt dan zal het heel veel mensen helpen.

Dit zal voor mij goed nieuws zijn, maar al helemaal voor de invalide mensen zal dit grandioos goed nieuws zijn.
Idem dito voor de blinde mensen, een tijd terug (volgens mij hier op tweakers?) een artikel gelezen over een ''speciale bril'' die mensen weer gedeeltelijk kon laten zien. Ook een filmpje gezien van een jongeman die blind geboren was en niks anders meer kon doen dan huilen nadat hij de bril opgezet had, dat raakte me ontiegelijk. Dat zijn producten die de wereld veranderen voor sommige mensen, producten die ik lang zal mijn leven toe zal juichen.

[Verwijderd]

Laten we niet te veel speculeren over hoe het allemaal nog beter kan. Ik stel voor dat ze eerst die 35 kilo terugbrengen voordat je overgaat op biochemische energie voor zo'n ding.

[Kalief]

Een tweepoot zoals een mens is bijzonder onstabiel en verdient geen navolging als je een robot wilt maken. (Kijk maar naar Robot Wars.) En dat geldt ook voor een exoskelet. In de filmpjes op Claudia's blog zie je dan ook dat die tweepoot alleen goed functioneert als ze er een zespoot van maken: March + krukken ernaast + begeleider erachter. Ik denk dat je voor zo'n ambitieus project beter de esthetische mens-gelijkenis kunt opgeven voor functionaliteit.

[Reactie gewijzigd door Kalief op 24 juli 2024 15:30]

[joeri1]

De robots van DARPA lopen anders toch aardig goed op twee benen. Het is een kwestie van tijd voordat Claudia en haar exoskelet dat ook kunnen.

[Kalief]

Goed voorbeeld. Die robots bewegen buitengewoon klunzig. Ze zijn duidelijk niet ontworpen voor een optimale stabiliteit een voortbeweging maar louter op hun mensachtig voorkomen.

[Niessie9]

Ze zijn juist wel ontworpen voor goede voortbeweging. Ook het instabiele karakter van de houding van de mens wordt goed benut. Doordat een robot rechtopstaat zijn obstakels makkelijker te zien en te overbruggen. Lange poten stappen er gewoon overheen en tevens neem je rechtopstaand erg weinig ruimte in beslag. Dat ze klunzig zijn heeft te maken met het stadium waar de ontwikkeling nu in is. Namelijk nog in de kinderschoenen.

[Kalief]

De meeste vierpotige beesten hebben ook weinig moeite met obstakels. Dat ze lager staan geeft ze het voordeel dat ze ergens onderdoor kunnen (kijken). Enzovoort. Mensachtige robots kunnen alleen makkelijker manoeuvreren in ruimten die specifiek voor mensenmaten zijn ontworpen, zoals een keuken met rare openklapbare kastjes.

Makkelijker zien hoort een robot te doen met uitschuifbare cameraatjes en andere sensoren die bij voorkeur alle kanten op kunnen waarnemen. Juist een mens hier als voorbeeld nemen is een nodeloze beperking.

De klunzigheid is by design. Ze zullen er altijd last van blijven houden.

[Countess]

Mensachtige robots kunnen alleen makkelijker manoeuvreren in ruimten die specifiek voor mensenmaten zijn ontworpen

laat dat nu net het grootste deel van de ruimte zijn waar we graag robots willen inzetten.

[Zoop]

Een rijdende (of een 4-of meer potige) robot maken is dan ook helemaal niet moeilijk, en heeft niet veel wetenschap nodig om daar iets functioneels voor te maken. Gebeurt ook al vol op, roomba's, zelfrijdende auto's, productie machine's in fabrieken etc.

De kunst is juist om een mensachtige robot te maken, juist omdat het lastig is en vaak praktisch is in ruimte's waar mensen werken (of mensen ondersteunen, in dit geval).

[threebees]

Ik ben het helemaal met je eens het ziet er allemaal erg klungelig uit.

Het systeem van een loopvogel lijkt mij veel efficienter om te gebruiken en makelijker in balans te brengen dan dat van een mens.

Verder als je de blog leest dan bedienen ze het via een horloge. Lijkt mij toch handiger dat ze hier iets anders voor bedenken. Google glass bijvoorbeeld?

[MorgothG]

Jammer dat er geen filmpje met de proefpersoon beschikbaar is in het artikel. Het is zoals mooi om te zien hoe trots mensen met een handicap zijn als ze ZELF weer dingen kunnen. Ik hoop dat de doktoren uiteindelijk zenuwen weer aan elkaar kunnen knopen..Maar tot die tijd is dit echt een hele grote gift voor mensen die niet meer kunnen lopen. En daarna en tegelijkertijd waarschijnlijk ook voor militairen en fabrieksarbeiders om veel zwaardere dingen te kunnen tillen of heel snel te kunnen rennen.

[Ossenaar]

Op de blog http://projectmarch.nl/nl/blog zie je een filmpje met de eerste stappen van Claudia.

P.S. Haar naam is Claudia Commijs en niet Claudia Clijsen

[Xtuv]

Naam aangepast. Dank voor het melden

[Gamebuster]

Bszzzzz bzzzz bonk
bzzzzz bzzzzz bonk

Had zo het geluid van de terminator kunnen zijn

[MeMoRy]

Misschien ben ik een doemdenker, maar verwachten over niet al te lang een (experimenteel) exoskelet dat door een softwarefout of sensor-falen iemands been breekt...