Assistieve robotica in Vlaanderen - het MIRAD-project Joris De Schutter, KU Leuven REVA2015, 24 april 2015
Overzicht Achtergrond en doelstelling van MIRAD Wetenschappelijke aanpak Stand van zaken Besluit
Overzicht Inleiding: achtergrond en doelstelling van MIRAD Wetenschappelijke aanpak Stand van zaken Besluit
Assistieve robotica Nieuw opkomend technologiedomein Groeiende nood aan mechatronische toestellen die dynamisch interageren met mensen aangedreven orthesen en prothesen revalidatie- en trainingstoestellen teleoperatie en assistieve toestellen/apparaten voor gebruik in de industrie... EU en Vlaanderen lopen achter
Opportuniteiten Voorbeeld: gezondheidssector verouderende bevolking groeiende nood aan persoonlijke assistentie tekort aan medisch personeel stijgende kosten van gezondheidszorg gezondheid is topprioriteit ineu/vlaanderen potentiële markt voor assistieve robottoestellen
Opportuniteiten Voorbeeld: maakindustrie hoge-mix/laag-volumeproductie: moeilijk volledig automatiseerbaar verhoging pensioenleeftijd: fysieke ondersteuning nodig om mensen langer aan het werk te houden maakindustrie is topprioriteit in EU/ Vlaanderen(oprichting Flanders Make) potentiële markt voor assistieve robottoestellen
Opportuniteiten Technologisch: ontwikkelingen in robotica actuatoren en sensoren modelleren, schatten, controleren artificiële intelligentie simuleren, visualiseren, telepresence nieuwe technische mogelijkheden voor assistieve robottoestellen
Wetenschappelijke uitdagingen Specifiek toepassingsgebied: exoskeletten draagbare robottoestellen die de menselijke mogelijkheden vergroten Uitdagingen veiligheid draagbaarheid energie-autonomie intelligente dynamische interactie met de mens psychologische aspecten nood aan geïntegreerde aanpak
Projectpartners Departement Werktuigkunde (J. De Schutter) Faculteit Bewegings- en Revalidatiewetenschappen (I. Jonkers) Departement Werktuigkunde (D. Lefeber) Computational Modelling Lab (A. Nowé) Revalidatiewetenschappen & Fysiotherapie (E. Kerckhofs) Sirris, Collectief Centrum van de Belgische Technologische Industrie (P. Beyl) Laboratorium voor Klinische Bewegingsanalyse (K. Desloovere) Thomas More Kempen (L. Peeraer) National Multiple Sclerosis Center (S. Ilsbroux) Revalidatieziekenhuis Revarte (C. Lafosse) Space Applications Services (M. Ilzkovitz) Met de financiële steun van:
Missie Ontwikkel de fundamentele bouwblokken van assistieve roboticatechnologie met het oog op klinische toepassing en evaluatie van deze technologie Wees drijvende kracht voor de creatie van een nieuwe technologische sector van assistieve robotica in Vlaanderen
Onderzoeksobjectieven Ontwikkel en valideer een geïntegreerde methodologie om intelligente, assistieve robottoestellen te ontwerpen en om deze toestellen te testen in klinische omstandigheden. Concentreer op een uitdagende toepassing in de gezondheidssector: een bilateraal, intelligent, actief exoskelet voor de onderste ledematen dat personen met functionele zwakte assisteert. generische wetenschappelijke en technologische kennis toepasbaar op breed gebied van assistieve toestellen die dynamisch interageren met de mens
Onderzoeksobjectieven 1. 2. 3. 4. 5. 6. Verdere ontwikkeling en demonstratie van actuatoren met variabele soepelheid. Ontwikkeling en demonstratie van een computercontroleaanpak voor interactie tussen assistieve toestellen en mensen, in het bijzonder voor de toepassing van assistentie-als-nodig. Ontwikkeling van een simulatieomgeving om de dynamische interactie tussen actieve toestellen en mensen te bestuderen. Ontwikkeling van een procedure voor het inventariseren van de psychologische perceptie van de gewenste en ongewenste aspecten en van de aanvaardingscriteria voor assistieve toestellen. Ontwerp en bouw van een bilateraal exoskeleton voor de onderste ledematen. Klinische test van het bilateraal exoskelet voor de onderste ledematen (ouderen met functionele zwakte, MS-patiënten, kinderen met CP).
Fact sheet Name: An integrated Methodology to bring Intelligent Robotic Assistive Devices to the user (MIRAD) Modality: Strategic basic research (SBO) project with economic finality, funded by IWT-Flanders Start: 01-01-2013 Duration: 4 years Funding: 2.974.837,77 EUR Disciplines : Mechanical engineering, Control systems engineering and robotics, Biomechanical modeling and multibody simulation, Rehabilitation sciences, Rehabilitation psychology Resources: 442 full-time equivalent person months Project Department of Mechanical Engineering, Katholieke leader: Universiteit Leuven (KULeuven-Mech)
Gebruikerscommissie industriële organisaties professionele en gebruikersorganisaties WMME(Leo Wiels) diensten Ria Cuppers Kine Groepspraktijk overheid- financiële instellingen
Overzicht Inleiding: achtergrond en doelstelling van MIRAD Wetenschappelijke aanpak Stand van zaken Besluit
Ontwerpspecificaties Input Processing Requirements Measuring activities of daily living Motion capture Inverse kinematics kinematics Range of motion Skeletal model Inverse dynamics Joint moments kinetics + kinematics Musculoskeletal model Simulation muscle weakness Required actuator moments
Assistentie-als-nodig (AAN) berekening van de motorkoppels = minimum koppel dat de persoon nodig heeft om een taak uit te voeren = motorische capaciteit taakvereisten taakvereisten = gewrichtsmomenten zoals berekend op vorige slide motorische capaciteit = gewrichtsmomenten die de persoon kan uitoefenen door gecoördineerde spieractiviteit
Simulatie van spierzwakte capaciteitstekort bij 70% spierzwakte Voorbeeld: trap opgaan capaciteitstekort bij verschillende niveaus van spierzwakte Design requirements
Invloed van exoskelet op AAN
Mechatronisch ontwerp VUB-RMM focus op functionaliteit actuatoren met ingebouwde soepelheid opeenvolgende prototypes 1. zitten-en-opstaan (volwassenen) 2. wandelen (volwassenen) 3. kinderen met CP
Eerste prototype
Soepele gewrichten veer introduceert soepel gedrag veer laat toe het assistentiekoppel te berekenen vereist dynamisch model van exoskelet motor drijft hefboomsarm aan veer verbindt hefboomsarm met segment van exoskelet
Computercontrole
Overzicht Inleiding: achtergrond en doelstelling van MIRAD Wetenschappelijke aanpak Stand van zaken Besluit
Focus in computercontrole
Compensatie van exoskelet compensatie exoskelet nauwkeurig dynamisch model van exoskelet vereist!
Model met zwevende basis start van model met zwevende basis voeg grondcontacten toe één dynamisch model voor alle situaties: zitten, staan, wandelen, enz.
Identificatie modelparameters identificatie-experiment om snel en efficiënt de dynamische parameters van het vrijzwevende model te bepalen vereist geoptimaliseerde bewegingstrajecten om het systeem zoveel mogelijk te exciteren (video).
Toevoeging grondreacties met twee voeten op de grond hyperstatisch! hyperstaticiteit opgelost door soepele aandrijvingen van exoskelet in rekening te brengen
Compensatie van exoskelet Twee situaties op de stoel exoskelet ondersteund door stoel compenseer enkel inertie en wrijving van exoskelet van de stoel exoskelet moet zichzelf ondersteunen compenseer gravitatie en volledige dynamica: transparante controle detecteer seat-off -punt in de tijd
Detecteer seat-off seat-off = volle gewicht op de voeten maximale heuphoek is een goede voorspelling van seat-off voorspelling van heuptraject (PCA-gebaseerd) (video) initieel na verscheidene metingen
Timing van assistentiekoppels assistentiekoppels komen bovenop compensatie van exoskelet: voorbeeld 30% spierzwakte wanneer assistentie starten en stoppen?
KNEE joint moment (Nm) join moment (Nm) HIP joint moment (Nm) join moment (Nm) join angle (degrees) 100 80 hip sternum 60 40 20 0 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 time (s) 20 0-20 hip id moment hip aan -40 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 time (s) 100 50 knee id moment knee aan 0-50 Start movement 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 time (s) Seat off End movement Start assistance Assistance as needed end assistance
Detectie van start assistentie Inverse dynamica is niet beschikbaar tijdens dagelijkse activiteiten Train een neuraal netwerk
Stand van zaken? Alles klaar voor eerste geïntegreerde experimenten voor zitten-tot-staan met gezonde proefpersonen: compensatie van dynamica van exoskeleton (transparante controle) toevoeging van AAN-assistentiekoppels met automatische, gepaste timing (detectie seat-off, start/einde van assistentie )
Evaluatie van de resultaten? comfort van de gebruiker (schaal) totale tijd van zitten tot staan gewrichtskinematica gewrichtskoppels biologische bijdrage = gemeten motorkoppel bijdrage om exoskeleton te bewegen spieractivatieniveau (EMG) (verdeling van biologische bijdrage over de spieren) spieractivatie agonisten (geeft aan hoe spieren worden geholpen door assistentie) spieractivatie antagonisten (geeft aan hoe spieren zich verzetten tegen assistentie, maat voor acceptatie)
Overzicht Inleiding: achtergrond en doelstelling van MIRAD Wetenschappelijke aanpak Stand van zaken Besluit
Besluit geïntegreerde aanpak met multidisciplinair team: van functionele specificatie tot evaluatie fundamentele bouwblokken: generieke wetenschappelijke en technologische kennis focus op uitdagende toepassing: intelligent, actief, bilateraal exoskelet voor de onderste ledematen voor personen met functionele zwakte eerste resultaten voor prototype zitten-tot-staan valorisatie gericht op creatie van nieuwe technologische sector in Vlaanderen (zie contact)
Met dank aan het team Departement Werktuigkunde Faculteit Bewegings- en Revalidatiewetenschappen Departement Werktuigkunde Computational Modelling Lab Revalidatiewetenschappen & Fysiotherapie Sirris, Collectief Centrum van de Belgische Technologische Industrie Laboratorium voor Klinische Bewegingsanalyse Thomas More Kempen National Multiple Sclerosis Center Revalidatieziekenhuis Revarte Space Applications Services Met de financiële steun van:
Contact www.mirad-sbo.be Pieter Beyl (Sirris) GSM : +32 498 91 94 57 E-mail : pieter.beyl@sirris.be Erwin Aertbeliën (KULeuven-MECH) TEL : +32 16 32 25 51 E-mail : erwin.aertbeliën@mech.kuleuven.be