< Terug naar vorige pagina

Project

Realtime schatting en voorspelling van kinematica, dynamica en faseovergangen voor assistieve robotische toestellen: bijdragen tot assistentie-zoals-nodig

Dit doctoraatsonderzoek legt zich toe op het ontwikkelen van modellen en software voor assistieve robottechnologie. Het doelpubliek zijn mensen die verzwakt zijn (bv. door leeftijd, door een spierziekte, door een beroerte, …) maar die hun ledematen nog steeds zelfstandig kunnen bewegen. Hun zwakte zorgt echter voor een daling in mobiliteit, wat leidt tot moeilijkheden voor de dagdagelijkse activiteiten.

Het doel van dit onderzoek is om na te gaan hoe robotische toestellen deze mensen kunnen assisteren zoals nodig. Dit betekent genoeg assistentie leveren zodat de gewenste beweging vlot kan gemaakt worden, maar niet te veel assistentie leveren aangezien dit zal leiden tot een verminderd gebruik van de spieren wat op zijn beurt weer leidt tot verdere spierverzwakking. Een belangrijk aspect is dat alle berekeningen in realtime gebeuren. De ontwikkelde methodes zullen gevalideerd worden op een bilateraal exoskelet voor de onderste ledematen dat de gebruiker zal helpen met wandelen, zit-naar-stand, trap lopen,...

De realtime assistentie-zoals-nodig is gebaseerd op een online berekening van het capaciteitstekort. Dit capaciteitestekort is het verschil tussen de nodige sterkte voor een bepaalde taak (bv. een zit-naar-stand beweging) en de capaciteit van de gebruiker, nl. de maximale gewrichtskoppels die de gebruiker kan leveren. Om dit doel te bereiken zijn vijf objectieven opgesteld.

Objectief 1: een toegepast spier-skelet model voor de berekening van het capaciteitstekort. Het is al mogelijk om het capaciteitstekort uit te rekenenen met de huidige spier-skelet modellen. De berekeningen zijn echter heel rekenintensief en dus niet geschikt om in realtime uit te voeren. Een vereenvoudigd model zal ontwikkeld worden. Het berekende capaciteitstekort moet optimaal gematched zijn met de vrijheidsgraden en limitaties van het robotisch toestel.

Objectief 2: Een statistisch model voor de berekening van de nodige gewrichtskoppels. In een eerste stap wordt een statistisch model uitgewerkt dat de gewrichtstrajecten kan beschrijven voor gegeven bewegingen van gezonde mensen. Dit model wordt geleerd met een dataset met typische uitvoeringen van de beweging en wordt online aangepast gebaseerd op de beschikbare sensormetingen. In een tweede stap worden de gewrichtstrajecten vertaald naar gewrichtskoppels, ondanks missende informatie zoals bv. grondreactiekrachten.

Objectief 3: Een biomimetisch model voor de berekening van de nodige gewrichtskoppels. Gebruik makende van terugkoppelingswetten is het mogelijk om de spieractivaties voor een bepaalde beweging uit te rekenen. Deze spieractivaties kunnen tegelijkertijd vertaald worden naar gewrichtstrajecten en gewrichtskoppels. De resultaten van dit objectief zullen vergeleken worden met de resultaten van objectief 2.

Objectief 4: Online berekening van het capaciteitstekort. Gebruik makend van de resultaten van objectieve 1, 2 en 3 kan de capaciteit van de gebruiker berekend worden. Dit kan vergeleken worden met de nodige gewrichtskoppels, berekend in objectief 2 en 3. Het verschil tussen de twee moet geleverd worden door het robotisch toestel. Door biarticulaire spieren zal assistentie op gewricht A een effect hebben op het gedrag rond gewricht B. Dit effect zal onderzocht worden.

Objectief 5: Controle van een assistief toestel volgens het assistentie-zoals-nodig paradigma. Een beperkings-gebaseerd raamwerk, ontwikkeld aan de KU Leuven, zal aangepast en uitgebreid worden naar het assistentie-zoals-nodig paradigma. De resultaten van objectieven 1, 2, 3 en 4 zullen gevalideerd worden in een proof-of-concept applicatie gebruik makende van een bestaand bilateraal exoskelet voor de onderste ledematen om personen met zwakte te assisteren.

De voornaamste uitdagingen zijn het behouden van voldoende nauwkeurigheid bij het vereenvoudigde spier-skelet model, het omgaan met missende online informatie, het voldoen aan de realtime eis voor robotische toestellen en een voldoende algemene beschrijving behouden die ook geschikt is voor andere taken.

Datum:15 sep 2014 →  22 aug 2019
Trefwoorden:Constrained-based task specification, Lower limbs, Exoskeleton, Rehabilitation and assistive robotics, Human-machine interaction, Assistance-as-needed
Disciplines:Controlesystemen, robotica en automatisatie, Ontwerptheorieën en -methoden, Mechatronica en robotica, Computertheorie
Project type:PhD project