De techniek van een exoskelet

Geeft de ins en outs weer van de technische kanten van een exoskelet; ontwikkelaars wereldwijd, uitdagingen en gezondheidsvoordelen.

Exo technical.png

Wat zijn de mogelijkheden van een exoskelet?

Over het algemeen zijn en worden exoskeletten ontwikkeld door onderzoekers om ondersteuning te bieden aan gewrichten van het menselijk onderlichaam. De voornaamste focus van deze hulpmiddelen is het mogelijk maken te bewegen met de vrijheidsgraden van de dwarsleet en ouderen door het ondersteunen van beweging en kracht in de gewrichten [3].

Gewrichten hebben een bewegingsbereik in verschillende vlakken. De belangrijkste gewrichtsbewegingen worden vertegenwoordigd in een exoskelet. Het is technisch erg moeilijk tot bijna onmogelijk om alle verschillende bewegingsbereiken in een exoskelet te verwerken (met name in de heup en enkel). Zie figuur ‘Gewrichtsbewegingen van de heup, knie en enkel’ voor de gewrichtsbewegingen (die meestal) vertegenwoordigd (zijn) in exoskeletten.

Gewrichtsbewegingen kunnen actief en passief ondersteund worden in een exoskelet. Actief betekent dat de beweging motorisch ondersteund wordt en hiermee de ledematen gekoppeld aan het gewricht actief bewogen kunnen worden. Passieve ondersteuning betekent dat de bewegingsvrijheid in het gewricht in een bepaald vlak kan plaatsvinden en het gewricht niet stijf in één stand wordt gehouden, maar dit gebeurt dus niet motorisch. Bewegingen in passieve gewrichtsondersteuning gebeuren door middel van de zwaartekracht of het verplaatsen van gewicht, hiermee wordt het looppatroon van een exoskelet meer natuurgetrouw.

Verschillende exoskeletten en ontwikkelaars

De afgelopen jaren zijn er wereldwijd grote stappen gemaakt binnen de ontwikkeling van exoskeletten van het onderlichaam. Verscheidene bedrijven en onderzoeksgroepen werken aan exoskeletten. De apparaten verschillen in ondersteuning en besturing van het onderlichaam ter hoogte van de heupen (H), knieën (K), enkels (A), het torso (T) en de voeten (F). Zie figuur 'Verschillende exoskeletuitbreidingen voor het menselijk onderlichaam' voor een overzicht van de verschillende ondersteuningsniveaus en -gebieden.

 

Exoskeletten die gebruikt kunnen worden ter ondersteuning van het gaan staan en lopen hebben op z’n minst actieve gewrichtsondersteuning en -beweging nodig in de heupen en knieën, sommigen ondersteunen daarnaast ook het torso of actieve beweging in de enkel. De meeste exoskeletten vereisen nog steeds het gebruik van (elleboog)krukken ter ondersteuning van het bovenlichaam en ter behoud van balans tijdens staan en lopen. Enkelen (ATALANTE [10] en REX [19]) bieden al de mogelijkheid te staan en lopen zonder krukken, maar je ziet dat hierdoor het exoskelet wel groter, zwaarder, duurder en langzamer is dan exoskeletten waarbij de gebruiker de steun van krukken gebruikt [4].

Exoskeletten voor meerdere gewrichten kunnen worden onderverdeeld naar onderdelen van het lichaam die ondersteund worden: torso-heup-knie-enkel-voet (THKAF), heup-knie-enkel-voet (HKAF), torso-heup-knie (THK) en heup-knie (HK) exoskeletten [4].

THKAF exoskeletten:

ATLAS [5] alleen voor kinderen, IHMC Mobility Assist Exoskeleton [6], Mina [7], MINDWALKER [8], eLEGS [9],  ATALANTE [10], Lower Extremity Assistive Exoskeleton by Long et al. [11, 12], CUHK-EXO [13], LLERR [14], Lower extremity exoskeleton by Jin et al. [15], Ekso[16];

HKAF exoskeletten:

HAL [17], Indego [18], REX [19], ReWalk [20];

THK exoskeletten:

AIT leg exoskeleton-I = ALEX-I [21], ExoAtlet [26];

HK exoskeletten:

Vanderbilt HK orthosis [22, 23], ABLE [24], Pneumatic active gait orthosis by Belforte et al. [25].

Types of exoskeletons.png

Verschillende exoskeletuitbreidingen voor het menselijk onderlichaam

Leg movements.png

Gewrichtsbewegingen van de heup, knie en enkel.

De meeste apparaten zijn nog in de onderzoeksfase, enkelen zijn reeds op de markt: HAL, ReWalk, Indego, ATALANTE, Ekso, Rex en ExoAtlet [3].

HAL [17]: ontwikkeld in Japan, meer dan 300 in gebruik in Japan en Europa. Kosten circa 96,000 USD.

ReWalk [20]: ontwikkeld in Israel, wordt wereldwijd verkocht. Kosten circa 85,000 USD. Wordt gebruikt in de Sint Maartenskliniek, Nijmegen, Nederland. 

Indego [18]: ontwikkeld in de Verenigde Station, wordt in Europa en de VS verkocht. Kosten circa 80,000 USD.

ATALANTE [10]: ontwikkeld in Frankrijk, wordt in Europa en de VS verkocht. Kosten circa 176,000 USD.

Ekso [16] : ontwikkeld in Canada, wordt verkocht in Europa, de VS en Azië. Kosten circa 150,000 USD. Wordt gebruikt in Heliomare, Wijk aan Zee, en in UMCG, locatie Beatrixoord, Groningen, Nederland.

Rex [19]: ontwikkeld in Nieuw-Zeeland, wordt wereldwijd verkocht. Kosten circa 150,000 USD.

ExoAtlet [26]: ontwikkeld in Luxemburg, wordt gebruikt in klinieken in Rusland en Azië. Kosten circa 50,000 USD.

 

In Nederland zijn er twee (studenten)teams van de Universiteit Twente (Symbitron) en de Technische Universiteit Delft (Project MARCH) die de afgelopen jaren onafhankelijk van elkaar werken aan een exoskelet. Het projectteam Symbitron is overgegaan naar de onderzoeksgroep Symbitron+, het studententeam Project MARCH bestaat nog in de oorspronkelijke vorm. Project MARCH bestaat uit voltijd studentvrijwilligers die een jaar in de vorm van een ‘dreamteam’ een nieuw exoskelet creëren van brainstorm tot de montage van het daadwerkelijke apparaat voor een vrijwilliger die een dwarslaesie heeft. Zij baseren nieuwe implementaties op de huidige ontwikkelingen en eigen dromen en ideeën ter verbeteringen van exoskeletten. Een team bestaat uit studenten met een technische en/of medische achtergrond.

Uitdagingen en gezondheidsvoordelen

Exoskeletten zijn op de markt gebracht als hoogwaardig medische producten, maar het bewijs van de bruikbaarheid en het nut worden nog steeds onderzocht, vanwege de grote verscheidenheid aan technische en sociale problemen die in acht moeten worden genomen voor wereldwijde implementatie.

 

Huidige technische mankementen zijn onder andere de balanshandhaving, het gebruik van krukken, de vertraging van reactie bij het exoskelet ten opzichte van de vlugge reactietijd in mensen, het gewicht van de gehele structuur, de strenge vereisten bij het gebruik van batterijen in de open lucht, de algehele pasvorm en het comfort (voor korte- en lange-termijngebruik) en de complexiteit van de bedieningscomponenten. Sociale problemen bij exoskeletgebruik zijn onder andere de aarzeling tot het gebruik ervan in het dagelijks leven, uitdagingen op ergonomisch gebied en de hoge kosten [27].

 

Interactie tussen de mens het het apparaat is ook een belangrijke factor ter verbetering van de bruikbaarheid van het exoskelet. De beschikbare sensoren zijn tot nu toe niet in staat om alle intenties van de gebruiker precies en snel te verzamelen en verwerken. Om deze reden zijn ontwikkelingen op neuro-ingenieurswetenschappelijk gebied belangrijk voor wetenschappers binnen de robotica en ontwikkeling van hulpmiddelen. De huidige exoskeletten worden met name gebruikt voor het ondersteunen van het gaan staan en lopen, maar er is behoefte aan meer mogelijkheden, zoals het kunnen instappen in een auto of lopen op grillig terrein. Vanwege bovenstaande factoren zijn vele ontwikkelde exoskeletten nog voordat ze op de markt gebracht konden worden stopgezet tijdens de onderzoeksfase.

 

Onderzoeksgroepen focussen nu met name op het lichter maken van het gehele exoskelet, preciezere bedieningsmethoden, de interactie tussen mens en machine, de veiligheid van de gebruiker, het verhogen van de energie-efficiëntie en het verlagen van de kosten [3].

 

 

Naast onderzoek naar het technisch verbeteren van exoskeletten en het gebruik ervan, is er de afgelopen twee decennia onderzoek gedaan naar de gezondheidsvoordelen van het lopen in een exoskelet. Er zijn tekenen dat lopen in een exoskelet voorziet in betere botdichtheid, doorbloeding, spieropbouw, lichaamssamenstelling en vermindering van pijn, spasmes en ongemakken met betrekking tot het spijsverteringsstelsel [28, 29], maar studies hebben tot nu toe vaak toegang tot kleine onderzoekspopulaties, wat het trekken van algemene conclusies soms lastiger maakt. Een duidelijk overzicht van potentiële gezondheidsvoordelen wordt gegeven in de volgende studie: ‘Robotica Rehabilitation and Spinal Cord Injury: a Narrative Review.’ Mekki et al. (2018) [28]. Samen met de positieve mentale aspecten van het weer kunnen staan en lopen, zijn er genoeg (potentiele) voordelen aan exoskeletten voor verder onderzoek. Onderzoeksgroepen blijven het belang en het waarom van een exoskelet bekijken om zo ook zorgverzekeraars te kunnen overtuigen van het dekken van de kosten van een exoskelet, ook al is het alleen voor revalidatiecentra en (nog) niet voor gebruik in de thuisomgeving.

a-Ekso-Suit-b-ReWalk-c-Vanderbilt-Exoskeleton-d-Rex-e-HAL.jpg

Ekso, ReWalk, Vanderbilt exoskeleton, Rex, HAL [30]

Lees meer over

Referenties

  1. Herr H (2009) Exoskeletons and orthoses: classification. Design challenges and future. J Neuroeng Rehabil 6:21. https://jneuroengrehab.biomedcentral.com/articles/10.1186/1743-0003-6-21

  2. Dollar AM, Herr H (2008) Lower extremity exoskeletons and active orthoses: challenges and state-of-the-art. IEEE Trans Robot 24(1):144–158. https://www.eng.yale.edu/grablab/pubs/dollar_TRO_Exos.pdf

  3. Kalita, B., Narayan, J., & Dwivedy, S. K. (2020). Development of Active Lower Limb Robotic-Based Orthosis and Exoskeleton Devices: A Systematic Review. International Journal of Social Robotics. doi:10.1007/s12369-020-00662-9. https://www.springerprofessional.de/en/development-of-active-lower-limb-robotic-based-orthosis-and-exos/18113926

  4. Yan T, Cempini M, Oddo CM, Vitiello N (2015) Review of assistive strategies in powered lower-limb orthoses and exoskeletons. Robot Auton Syst 64:120–136. https://www.researchgate.net/publication/274379827_Review_of_assistive_strategies_in_powered_lower-limb_orthoses_and_exoskeletons

  5. Sanz-Merodio D, Cestari M, Arevalo JC, Garcia E (2012) Control motion approach of a lower limb orthosis to reduce energy consumption. Int J Adv Robot Syst 9(6):232. https://journals.sagepub.com/doi/full/10.5772/51903

  6. Kwa HK, Noorden JH, Missel M, Craig T, Pratt JE, Neuhaus PD (2009) Development of the IHMC mobility assist exoskeleton. In: 2009 IEEE international. https://link.springer.com/article/10.1007/s10846-018-00979-8

  7. Neuhaus PD, Noorden JH, Craig TJ, Torres T, Kirschbaum J, Pratt JE (2011) Design and evaluation of Mina: a robotic orthosis for paraplegics. In: 2011 IEEE international conference on rehabilitation robotics, pp 1–8. IEEE. https://ieeexplore.ieee.org/document/5975468

  8. Wang L, Wang S, van Asseldonk EH, van der Kooij H (2013) Actively controlled lateral gait assistance in a lower limb exoskeleton. In: 2013 IEEE/RSJ international con. https://www.researchgate.net/publication/261352901_Actively_controlled_lateral_gait_assistance_in_a_lower_limb_exoskeleton

  9. Strausser KA, Kazerooni H (2011) The development and testing of a human machine interface for a mobile medical exoskeleton. In: 2011 IEEE/RSJ international conference on intelligent robots and systems, pp 4911–4916. IEEE. https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6095025

  10. Gurriet T, Finet S, Boeris G, Duburcq A, Hereid A, Harib O, Masselin M, Grizzle J, Ames AD (2018) Towards restoring locomotion for paraplegics: Realizing dynamically stable walking on exoskeletons. In: 2018 IEEE international conference on robotics and automation (ICRA), pp 2804–2811. IEEE. http://ames.caltech.edu/exo-icra_2018.pdf

  11. Long Y, Du Z, Chen C, Wang W, He L, Mao X, Xu G, Zhao G, Li X, Dong W (2017) Development and analysis of an electrically actuated lower extremity assistive exoskeleton. J Bionic Eng 14(2):272–283 42. https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=8897544

  12. Chen CF, Du ZJ, He L, Shi YJ, Wang JQ, Xu GQ, Zhang Y, Wu DM, Dong W (2019) Development and hybrid control of an electrically actuated lower limb exoskeleton for motion assistance. IEEE Access 7:169107–169122. https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/1729881421992286

  13. Chen B, Zhong CH, Zhao X, Ma H, Guan X, Li X, Liang FY, Cheng JCY, Qin L, Law SW, Liao WH (2017) A wearable exoskeleton suit for motion assistance to paralysed patients. J Orthop Transl 11:7–18. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214031X16303023?via%3Dihub

  14. Zhu A, He S, He D, Liu Y (2016) Conceptual design of customized lower limb exoskeleton rehabilitation robot based on axiomatic design. Procedia CIRP 53:219–224. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212827116307454

  15. Jin X, Zhu S, Zhu X, Chen Q, Zhang X (2017) Single-input adaptive fuzzy sliding mode control of the lower extremity exoskeleton based on human–robot interaction. Adv Mech Eng 9(2):1687814016686665. https://www.researchgate.net/publication/313446357_Single-input_adaptive_fuzzy_sliding_mode_control_of_the_lower_extremity_exoskeleton_based_on_human-robot_interaction

  16. Ekso Bionics, An exoskeleton bionic suit or a wearable robot that helps people walk again. http://www.eksobionics.com/

  17. Sankai Y (2010) HAL: hybrid assistive limb based on cybernics. In: Kaneko M, Nakamura Y (eds) Robotics research. Springer, Heidelberg, pp 25–34. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-14743-2_3

  18. Indego—Powering People Forward, Parker Indego. http://www. indego.com/indego/en/home

  19. Rex Bionics—Step into the Future. http://www.rexbionics.com/

  20. Esquenazi A, Talaty M, Packel A, Saulino M (2012) The ReWalk powered exoskeleton to restore ambulatory function to individuals with thoracic-level motor-complete spinal cord injury. Am J Phys Med Rehabil 91(11):911–921. https://journals.lww.com/ajpmr/Fulltext/2012/11000/The_ReWalk_Powered_Exoskeleton_to_Restore.1.aspx

  21. Aphiratsakun N, Parnichkun M (2009) Balancing control of AIT leg exoskeleton using ZMP based FLC. Int J Adv Robot Syst 6(4):34. https://www.researchgate.net/publication/221906522_Balancing_control_of_AIT_leg_exoskeleton_using_ZMP_based_FLC

  22. Quintero H, Farris R, Hartigan C, Clesson I, Goldfarb M (2011) A powered lower limb orthosis for providing legged mobility in paraplegic individuals. Top Spinal Cord Injury Rehabil 17(1):25–33 70. https://www.researchgate.net/publication/227179960_A_Powered_Lower_Limb_Orthosis_for_Providing_Legged_Mobility_in_Paraplegic_Individuals

  23. Farris RJ, Quintero HA, Goldfarb M (2011) Preliminary evaluation of a powered lower limb orthosis to aid walking in paraplegic individuals. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng 19(6):652–659. https://ieeexplore.ieee.org/document/6033046

  24. Mori Y, Okada J, Takayama K (2006) Development of a standing style transfer system “ABLE” for disabled lower limbs. IEEE/ ASME Trans Mechatron 11(4):372–380. https://ieeexplore.ieee.org/document/1677568

  25. Belforte G, Gastaldi L, Sorli M (2001) Pneumatic active gait orthosis. Mechatronics 11(3):301–323. https://www.researchgate.net/publication/245188771_Pneumatic_active_gait_orthosis

  26. ExoAtlet. https://www.exoatlet.com/en/node/84

  27. Rupal BS, Rafique S, Singla A et al. (2017) Lower-limb exoskeletons: Research trends and regulatory guidelines in medical and non-medical applications. International Journal of Robotic Systems Nov-Dec 2017:1-27. https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/1729881417743554

  28. Mekki M, Delgado AD, Fry A, Putrino D, Huang V (2018) Robotic Rehabilitation and Spinal Cord Injury: a Narrative Review. Neurotherapeutics 2018 Jul;15(3):604-617. https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs13311-018-0642-3

  29. Asselin P, Cirnigliaro CM, Kornfeld S et al. (2021) Effect of Exoskeletal-Assisted Walking on Soft Tissue Body Composition in Persons With Spinal Cord Injury. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation Feb 2021, pages 196-202. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0003999320312223?casa_token=jGyGK1iZpKoAAAAA:DWWrEYNfKO83t_hpqdX3uumlLT1oOdsMnt_Cd29QlSBzHOMpRKilg36EI-2kjDOBxAyOTQEbUD0

  30. Ferrati, Francesco & Bortoletto, Roberto & Pagello, Enrico. (2013). Virtual Modelling of a Real Exoskeleton Constrained to a Human Musculoskeletal Model. 96-107. 10.1007/978-3-642-39802-5_9.