Exoskelet leert lopen

7 december 2007

Voor beroerteslachtoffers vergt het veel oefening om weer te leren lopen. De Universiteit Twente ontwikkelt een exoskelet om daarbij te helpen. Door het Lopes-systeem impedantiegestuurd te maken, geeft de robot alleen kracht waar nodig. Lopes is zo in te stellen dat patiënten kunnen lopen zonder de robot te voelen, maar ook zo dat deze hen volledig begeleidt.

Een beroerte heeft vaak gedeeltelijke verlamming tot gevolg. Patiënten moeten dan bewegingen opnieuw aanleren die ze al hun hele leven maken, een lang en moeizaam proces met veel oefening. Het beste is om de gewenste beweging veelvuldig te herhalen. Dat werkt beter dan duur- of krachttraining. Maar daar is fysieke begeleiding voor nodig door een therapeut, zeker bij loopbewegingen, omdat de patiënt kan vallen. Dat is zwaar werk voor zowel de patiënt als de therapeut.

Herhaaldelijk en langdurig bewegingen uitvoeren, dat is typisch een klusje voor een robot, moeten ze bij de Universiteit Twente hebben gedacht. Promovendus Jan Veneman werkte daar de afgelopen jaren aan het Lower-Extremity Powered Exoskeleton (Lopes), een exoskelet voor looptrainingen op een lopende band. Het bijzondere aan het apparaat is dat het impedantiegestuurd is. In andere woorden: het reageert op de kracht die de patiënt zet en stuurt alleen tegen als de drager een verkeerde beweging maakt.

Lopes is zo af te stellen dat de patiënt geen weerstand voelt bij correcte bewegingen en gewoon vrij kan lopen. De meeste apparaten op de markt zijn positiegestuurd en voeren een voorgeprogrammeerde beweging uit. Daardoor ondersteunen ze de patiënt gedurende de hele loopbeweging, ook als dat niet nodig is. Het resultaat is een kunstmatige situatie. De patiënt voelt dan niet hetzelfde als wanneer hij vrij zou lopen. Bovendien hoeft hij geen kracht te zetten, dus de oefening gaat wellicht aan hem verloren.

De Universiteit Twente ontwikkelt een impedantiegestuurd exoskelet om beroertepatiënten weer te leren lopen. Lopes geeft alleen ondersteuning als dat nodig is.

Venemans promotieonderzoek bestond uit twee delen: het ontwerp en het gebruik van Lopes. Bij het ontwerp richtte hij zich op de mechanica van het exoskelet. ‘Eigenlijk is dat de mechanische kant van het mechatronische ontwerp’, legt hij uit. ‘Dus de vrijheidsgraden en aansturing op laag niveau.’ Daarvoor moest hij eerst goed naar de mechanica kijken van wat Lopes moet trainen, namelijk het natuurlijk lopen van mensen. Het exact nabootsen van het menselijk onderlichaam zou het apparaat nodeloos ingewikkeld maken. Dus moesten Veneman en zijn collega’s weten welke delen ze konden weglaten. Uit proeven bleek bijvoorbeeld dat het bekken niet al te vast mocht worden gezet, zoals bij sommige trainingsapparaten gebeurt. Dat verstoort de natuurlijke gang te veel.

Fietsversnelling

Veneman nam ook de actuatie onder de loep. ‘Bij de gekozen technologie moet het exoskelet zelf licht blijven, dus konden er geen zware actuatoren op’, vertelt hij. ‘We hebben onder meer gekeken naar kunstmatige spieren.’ Maar uiteindelijk bleek er geen kant-en-klare oplossing te zijn. De gangbare actuatoren waren of te zwaar, of niet krachtig genoeg, of te onvoorspelbaar om nauwkeurig aan te sturen. Daarom ontwikkelde Veneman zijn eigen actuatorsysteem.

‘We hebben ervoor gekozen om de motoren niet op het skelet te zetten en de kracht via een flexibele kabel over te brengen op de gewrichten’, vertelt Veneman. Een Bowden-kabel bestaat uit een stijve huls waar een andere kabel doorheen loopt, zoals bij een fietsversnelling. Via deze kabel kan het gewricht twee kanten op draaien. Voor de veiligheid loopt de binnenste kabel door de hele actuator heen. Daardoor valt de kracht volledig weg in het onfortuinlijke geval dat deze breekt.

De actuator wordt afgemaakt door twee veren die het gewricht terugdraaien in zijn beginpositie wanneer de kracht op de kabel wegvalt. ‘Als je een stijve koppeling maakt, is het heel lastig om de kracht te regelen. Er zit veel onvoorspelbare wrijving in het systeem’, vertelt Veneman. De lengte van de veren is door de feedbacklus te reguleren. ‘Daarmee bepaal je de kracht van de actuator’, zegt hij.

Het resultaat is een exoskelet dat zo is in te stellen dat de gebruiker vrij kan bewegen, maar ook zo dat het de beweging volledig dirigeert. In de praktijk zal de instelling daar ergens tussenin liggen. Een ander belangrijk aspect is de vrije programmeerbaarheid. Aangezien het klinische inzicht voortdurend verandert, moeten nieuwe trainingsstrategieëen eenvoudig te implementeren zijn. Bovendien kan een beroerte een kant van het lichaam veel zwaarder raken dan de andere. Dan is het nodig die kant intensiever te trainen.

Na het bouwen van het prototype besteedde Veneman het tweede deel van zijn promotieonderzoek aan het evalueren van Lopes. ‘Daarvoor voerde ik EMG- en bewegingsmetingen uit bij gezonde proefpersonen. Dat is dus een heel andere insteek.’ De initiatiefnemers van het Lopes-project zijn nu op zoek naar commerciële partners om het apparaat op de markt te brengen. Ondertussen wordt er een onderzoek opgezet naar de effecten op patiënten. ‘Daarvoor loopt nu een aanvraag bij de medisch-ethische commissie’, vertelt Veneman. Dit onderzoek gaat begin volgend jaar van start. Het Nederlandse genootschap voor fysiotherapie draagt financieel zijn steentje bij. Veneman zal daar zelf niet meer bij zijn, hij is druk op zoek naar een postdocpositie.

Pieter Edelman

Terug naar overzicht