Wat is een Exoskelet?

Exoskeletten zijn actieve mechanische draagbare apparaten die aansluiten op menselijke karakteristieken en hiermee het lichaam ondersteunen en de intentie van beweging van de gebruiker begrijpen [1, 2]. Wanneer deze apparaten het overgrote deel van de onderste extremiteiten (de benen) omvatten, wordt het een exoskelet van de onderste ledematen genoemd. Op deze website ligt de focus bij exoskeletten van de benen, gezien er de afgelopen decennia hulpmiddelen zijn ontwikkeld welke in sommige gevallen dwarsleten (mensen met een dwarlaesie) voldoende kunnen ondersteunen om hen weer te laten lopen. Wij proberen een objectief en duidelijk overzicht te geven van de beschikbare hulpmiddelen en informatie binnen het onderzoeksveld, waarom exoskeletten gebruikt worden en wat er tot op heden nog aan verbeterd kan worden.

Het exoskelet sluit qua kinematiek nauw aan op de anatomie van het menselijk lichaam, de interactie is duidelijk zichtbaar ter hoogte van en tussen de gewrichten van de persoon in het exoskelet. Zie figuur ‘Versimpeld overzicht van een exoskelet’ voor een versimpeld overzicht van een exoskelet van de benen. 

 

Eind jaren ‘60 van de vorige eeuw startten twee onderzoeksgroepen in de Verenigde Staten en voormalig Joegoslavië de eerste studies voor exoskeletten om (extra) steun te bieden aan de benen voor respectievelijk militaire en revalidatie doeleinden [2].

Exo simplified.png

Versimpeld overzicht van een exoskelet. De joints zijn de motoren bij de gewrichten, het frame ter versteviging en verbinding en de fixtures als verbinding tussen het exoskelet en de gebruiker.

Wie is betrokken bij het ontwerpen, bouwen en in gebruik nemen van een exoskelet?

Vele partijen zijn betrokken bij de ontwikkeling van een exoskelet. De voornaamste bijdrage wordt geleverd door ervaringsdeskundigen (mensen met een dwarslaesie, die soms reeds in een exoskelet hebben gelopen), zorgprofessionals (zoals fysiotherapeuten en revalidatieartsen), onderzoekers (bewegingswetenschappen), ingenieurs (werktuigbouwkunde, electrotechniek, control, embedded, design), software architecten, investeerders en product leveranciers. 

Het menselijk looppatroon en gewrichtsbewegingen

Op dit moment worden exoskeletten met name gebruikt om op te staan en te lopen. Begrip en kennis betreffende het menselijk looppatroon is cruciaal voor het ontwerpen van een exoskelet voor de benen. Hierbij volgt een samenvatting van de meest relevante informatie [2].

 

Over het algemeen heeft een menselijk been 7 vrijheidsgraden (bewegingsrichtingen), drie in de heup, één bij de knie en drie bij de enkel. Zie figuur ‘beweging van de benen’ voor een beschrijving van de anatomische vlakken en een kinematisch model van het menselijk been in het sagittaal vlak, welke het voornaamste vlak is waarin bewegingen tijdens het lopen plaatsvinden. Zie figuur 'vlakken van menselijk lichaam'. Gewrichtsbewegingen in dit vlak zijn flexie (buiging) en extensie (strekking). Beweging van de heup in het coronaal vlak wordt abductie (van het lichaam af) en adductie (naar het lichaam toe) genoemd. Beweging van de enkel in coronaal vlak wordt eversie (van het lichaam af) en inversie (naar het lichaam toe) genoemd. De overige vrijheidsgraden van de heup en de enkel worden simpelweg ‘rotatie’ (draaiing) genoemd [2].

 

Een groot deel van het onderzoek ter ontwikkeling van exoskeletten wordt uitgevoerd door middel van bewegingsanalyses van de gewrichten tijdens het lopen, voornamelijk in sagittaal vlak, waarbij deze informatie wordt gebruikt om een zo menselijk mogelijk looppatroon in exoskeletten te creëren. Zie figuur ‘Looppatronen’ voor een overzicht van verschillende fases en evenementen tijdens het lopen.

Sagittal plane.png

Vlakken van menselijk lichaam: Het sagittale vlak (A) Beweging van de benen: Versimpeld kinematisch model van het been in het sagittale vlak (B)

Gaits.png

Looppatronen: Weergave van de evenementen en fasen binnen een schrede (één stap met elk been)

Andere toepassingsgebieden

Exoskeletten worden gebruikt in verscheidene toepassingen ter versterking van (slappe) spieren om de loopcapaciteit van de gebruiker te vergroten. Sommige hulpmiddelen, zoals BLEEX [3], Sarcos Exoskeleton [4] en MIT Exoskeleton [5] worden gebruikt om gezonde mensen te ondersteunen bij het tillen en verplaatsen van zware voorwerpen. Andere exoskeletten worden ingezet om de loopcapaciteit en mogelijkheid om trappen te beklimmen voor ouderen te verbeteren (Cyderdyne’s HAL exoskeleton [6], MINDWALKER [7], IHMC [8], Mina [9] and WWH (Wearable Walking Helper) [10]). Ten slotte worden bijvoorbeeld LokoMat [11] en LOPES [12] voor revalidatie doeleinden gebruikt ter ondersteuning van herhaaldelijk werk van fysiotherapeuten bij langdurige begeleiding van patiënten die hun loopmogelijkheden meer en meer uitbreiden na bijvoorbeeld een hersenbloeding of incomplete dwarslaesie [13].

Lees meer over

Referenties

  1. Herr H (2009) Exoskeletons and orthoses: classification. Design challenges and future. J Neuroeng Rehabil 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

  3. 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

  4. Guizzo E, Goldstein H (2005) The rise of the body bots [robotic exoskeletons]. IEEE Spectr 42(10):50–56

  5. Walsh CJ, Endo K, Herr H (2007) A quasi-passive leg exoskeleton for load-carrying augmentation. Int J Humanoid Robot 4(03):487–506

  6. Sankai Y (2010) HAL: hybrid assistive limb based on cybernics. In: Kaneko M, Nakamura Y (eds) Robotics research. Springer, Heidelberg, pp 25–34

  7. 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

  8. Kwa HK, Noorden JH, Missel M, Craig T, Pratt JE, Neuhaus PD (2009) Development of the IHMC mobility assist exoskeleton. In: 2009 IEEE international 

  9. 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

  10. Nakamura T, Saito K, Kosuge K (2005) Control of wearable walking support system based on human-model and GRF. In: Proceedings of the 2005 IEEE international conference on robotics and automation, pp 4394–4399. IEEE

  11. Colombo G, Joerg M, Schreier R, Dietz V (2000) Treadmill training of paraplegic patients using a robotic orthosis. J Rehabil Res Dev 37(6):693–700

  12. Source: Veneman JF, Kruidhof R, Hekman EE, Ekkelenkamp R, Van Asseldonk EH, Van Der Kooij H (2007) Design and evaluation of the LOPES exoskeleton robot for interactive gait rehabilitation. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng 15(3):379–386

  13. 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