Exoskeletten die je kunt aantrekken om bovenmenselijke krachten te krijgen, zijn vooral bekend uit games en sciencefictionfilms. Hoewel ze in het dagelijks leven nog niet in het straatbeeld voorkomen, wordt er al jarenlang mee geëxperimenteerd door bedrijven, onderzoeksinstellingen en universiteiten. Dat gebeurt onder andere bij de TU Delft, waar ieder jaar een nieuw studententeam aan Project March werkt.
Het doel van dit project, dat inmiddels vijf jaar bestaat, is om de kwaliteit van leven van mensen met een dwarslaesie te verbeteren. Project March werkt al een aantal jaar samen met dwarslaesiepatiënt Sjaan Quirijns, die met behulp van het voor haar op maat gemaakte exoskelet weer kan opstaan én lopen. Het doel is niet om een exoskelet te maken dat daadwerkelijk op de markt komt; het project richt zich volledig op het onderzoek naar en de ontwikkeling van technieken.
Met de nieuwste versie van het robotpak, de March IVc, zou het team dit jaar de strijd aangaan met achttien internationale teams tijdens de Powered Exoskeleton Race op de Cybathlon in Zwitserland. Dat is een wedstrijd die eens in de vier jaar plaatsvindt en officieus bekendstaat als de Bionische Spelen. Vanwege de coronapandemie ging het evenement niet door, maar omdat het team toch wilde laten zien waartoe het in staat is, bouwde het in Rijswijk het parcours met obstakels na en gaf het een uitgebreide demonstratie.
March IVc in plaats van March V
Project March bestaat nu vijf jaar en in de afgelopen vier jaar werd steeds een nieuw exoskelet gemaakt. Jaarlijks waren er significante veranderingen, zoals de toevoeging van extra gewrichten. Dit jaar is voor het eerst de versie van vorig jaar als basis gebruikt en doorontwikkeld. Het nieuwe exoskelet heet dan ook March IVc. Die c staat voor Cybathlon, want de keuze om door te ontwikkelen is gemaakt met die wedstrijd in het achterhoofd. De competitie had al in mei moeten plaatsvinden en het team zou niet genoeg tijd gehad hebben om een volledig nieuw exoskelet te ontwikkelen en te testen.
De March IVc heeft veel overeenkomsten met de March IV van vorig jaar. Hij is met zijn acht gewrichten in de basis gelijk aan die vorige versie. De grote vernieuwing bij dat model was de toevoeging van extra heupgewrichten voor zijwaartse bewegingen. Het exoskelet heeft per kant dus twee heupgewrichten, een kniegewricht en een enkelgewricht.
Bij het exoskelet horen ook schoenen, voorzien van acht druksensoren. Die geven het team inzicht in de verdeling van het gewicht en dat inzicht kan gebruikt worden voor het houden van de juiste balans. Om de hoge druk die op de schoenen kan komen te staan aan te kunnen, zijn de zolen verstevigd met koolstofvezel.
:strip_exif()/i/2003818148.jpeg?f=imagearticlefull)
Verbeterde bediening
Quirijns, die al drie jaar als piloot bij Project March betrokken is, bestuurt het harnas met een controller die in een kruk is verwerkt. De bediening is een van de punten die bij de March IVc flink zijn verbeterd. De controller bestaat uit een schermpje en een joystickje waarmee de piloot verschillende bewegingsopties kan selecteren en activeren. Met een knop kan de volgende beweging alvast gekozen worden, terwijl het exoskelet nog in beweging is. Ook is het mogelijk om de stapgrootte aan te passen zonder dat het skelet eerst tot stilstand moet worden gebracht. Dat kan dankzij verbeteringen aan de software.
Alle bewegingen die het exoskelet kan maken, zijn met een gait generator voorgeprogrammeerd. De huidige versie heeft bijvoorbeeld drie verschillende stapgroottes: klein, middel en groot. Het exoskelet maakt nu zelf een transitiegait, bij het overschakelen van bijvoorbeeld een kleine naar een grote stap. Zo'n tussenstap is nodig om de overgang met een vloeiende beweging te kunnen maken.
Naast verschillende stapgroottes bevat het menu tal van bewegingen die precies zijn afgestemd op de obstakels van het hindernissenparcours van de Cybathlon. Die bewegingen worden vooraf eerst getest in uitgebreide simulatiesoftware. Die simulator houdt rekening met tal van factoren, zoals zwaartekracht. Daarbij moet ook de piloot gesimuleerd worden. Dat is volgens chief engineer Eline Gigengack een ingewikkelde opgave, omdat moeilijk te voorspellen is hoe de piloot precies zal leunen bij bepaalde bewegingen. Door deze software te verbeteren heeft het team dit jaar veel vooruitgang geboekt.
De volgende beweging kan al gekozen worden terwijl het exoskelet nog in beweging is
EtherCAT en dashboard
Het exoskelet werkt volledig draadloos. In de backpack zitten een accu en een mastercomputer die alle motorcontrollers aanstuurt. Die master staat in verbinding met de motors via EtherCAT, ofwel Ethernet for Control Automation Technology. Dat is een protocol op basis van ethernet, bedoeld voor industriële toepassingen, met een nadruk op snelle synchronisatie.
In tegenstelling tot ethernet werkt EtherCAT niet met hubs of switches. Data wordt vanaf de master langs alle nodes gestuurd en on-the-fly verwerkt of aangevuld en weer doorgestuurd. De techniek wordt ook wel vergeleken met een trein die een station passeert en passagiers kan in- en uitladen zonder stil te moeten staan.
Via een dashboard leest het team alle data uit die door de sensoren en motoren wordt gegenereerd. In het dashboard worden live de status en beweging van alle componenten getoond. Ook kan de software semiautomatisch notulen maken. Aan de hand van die data heeft het team de betrouwbaarheid van het exoskelet verbeterd en zijn er grote stappen gezet op het gebied van de balans.
Project March - Team 2019-2020
Het team bestaat uit 25 studenten van de TU Delft, Haagse Hogeschool en Vrije Universiteit Amsterdam. De teamleden hebben studieachtergronden in onder andere elektrotechniek, werktuigbouwkunde, technische informatica, industrieel ontwerpen, technische bestuurskunde en klinische technologie. Studenten die deelnemen aan Project March, pauzeren een jaar lang hun studie om zich volledig op het project te kunnen richten.
Betere fixtures en meer feedback
Een grote verbetering voor piloot Quirijns zijn de nieuwe fixtures. Dat zijn de beenschelpen waarmee ze met haar bovenbenen vastzit in het exoskelet. Deze zijn op maat gemaakt voor optimale ondersteuning. Dat maakt het opstaan en zitten veel gemakkelijker en het lopen minder zwaar. Quirijns heeft ook met commerciële exoskeletten gelopen. Die zijn niet op maat gemaakt en de March IVc is volgens haar dan ook een grote verbetering wat dat betreft.
Een andere nieuwe eigenschap van de March VIc is dat het exoskelet meer feedback geeft aan de omgeving. In de backpack zitten een speaker en een led, die voortdurend aangeven in welke staat het robotpak zich verkeert. Daardoor kan het team snel handelen als er iets fout gaat.
Als Sjaan het exoskelet gebruikt, wordt ze voor de veiligheid altijd bijgestaan door een aantal studenten. Die doen zo weinig mogelijk, maar kunnen ingrijpen als dat nodig is. Zo loopt er iemand mee met een noodknop, waarmee het apparaat stilgezet kan worden. Er zijn ook softwarematige veiligheidsmaatregelen ingebouwd. Als bijvoorbeeld tijdens het traplopen een voet blijft haken, bevriest het hele exoskelet uit voorzorg.
Vlnr: March I, March II, March III, March IV
Wedstrijd in november en March VI in 2021
De internationale Cybathlon waaraan Project March zou meedoen, gaat dit jaar dus niet door in de oorspronkelijke vorm, maar halverwege november volgt een aangepaste wedstrijd. Teams zetten per land hun eigen infrastructuur op en leggen de race op video vast. In Nederland zal dat in Twente plaatsvinden.
Het huidige Project March-team gaat nog door tot november om mee te doen met die wedstrijd, maar inmiddels staat ook het volgende studententeam al klaar om zich in het nieuwe studiejaar op het project te storten. Dat team krijgt alle kennis overgedragen en gaat op basis daarvan weer een volledig nieuw exoskelet ontwikkelen: de March VI.
In welke opzichten het volgende exoskelet aangepast en vernieuwd zal worden, is nog niet bekend. Wel geeft de huidige chief engineer een voorbeeld van waar het nieuwe team zich op zou kunnen richten: het overbodig maken van de krukken. Het team heeft daar dit jaar al mee geëxperimenteerd in simulaties, maar om dat daadwerkelijk voor elkaar te krijgen zijn er nog wel flinke aanpassingen aan de hardware en software nodig. Of dat volgend jaar al lukt, is nog de vraag, maar het is wel een vervolgstap die in de toekomst zal worden gezet.