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.
Verdere ontwikkeling en demonstratie van actuatoren met variabele soepelheid.
2.
Ontwikkeling en demonstratie van een computercontroleaanpak voor interactie tussen assistieve toestellen en mensen, in het bijzonder voor de toepassing van “assistentie-als-nodig”.
3.
Ontwikkeling van een simulatieomgeving om de dynamische interactie tussen actieve toestellen en mensen te bestuderen.
4.
Ontwikkeling van een procedure voor het inventariseren van de psychologische perceptie van de gewenste en ongewenste aspecten en van de aanvaardingscriteria voor assistieve toestellen.
5.
Ontwerp en bouw van een bilateraal exoskeleton voor de onderste ledematen.
6.
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
WMME(Leo Wiels)
• professionele en gebruikersorganisaties
• diensten Ria Cuppers Kine Groepspraktijk
• overheid- financiële instellingen
Overzicht Inleiding: achtergrond en doelstelling van MIRAD Wetenschappelijke aanpak Stand van zaken Besluit
Ontwerpspecificaties Input
Motion capture
Requirements
Inverse kinematics
Range of motion kinematics
Measuring activities of daily living
Processing
Inverse dynamics
Musculoskeletal model
Simulation muscle weakness
Joint moments
kinetics + kinematics
Skeletal model
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 Voorbeeld: trap opgaan capaciteitstekort bij 70% spierzwakte
•
Design requirements
capaciteitstekort bij verschillende niveaus van spierzwakte
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?
100 hip sternum
join angle (degrees)
80 60 40 20 0
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
time (s)
HIP joint moment moment (Nm) join(Nm)
20
0
-20
-40
hip id moment hip aan 1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
time (s)
KNEE joint moment moment (Nm) join (Nm)
100 knee id moment knee aan 50
0
-50
1.2 Start movement
1.4
1.6
1.8
2
Seat off Start assistance
Assistance as needed
2.2
End movement
time (s)
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 :
[email protected] Erwin Aertbeliën (KULeuven-MECH) TEL : +32 16 32 25 51 E-mail : erwin.aertbelië
[email protected]
