Beter robotontwerp voor samenwerking met mensen door

Sirris - Techniline v3
Page 1 of 3
zoekterm
Mechatronics
Home
Materials Engineering
Production Technology
Mechatronics
Beter robotontwerp voor samenwerking met mensen door
simulatie van menselijke beweging
(20-12-2013)
Additive Manufacturing
Software & ICT
Technology Coaching
Inspiring Products
Welkom, Pieter Beyl
Gegevens veranderen?
Abonnement opzeggen?
AFMELDEN
De robots van de toekomst interageren fysiek met mensen. De mens-robot-interactie moet
dan ook centraal staan in het ontwerp van deze robots. In het IWT-SBO-project MIRAD (an
integrated Methodology to bring Intelligent Robotic Assistive Devices to the user) wordt een
assisterend exoskelet ontwikkeld, waarbij simulaties van de interactie tussen ouderen met
beperkte mobiliteit en dit assisterende exoskelet gebruikt worden bij het mechatronische
ontwerp.
De evolutie naar robots en mechatronische systemen die samenwerken met de mens zal in de
komende jaren versterkt worden door strategische onderzoeksinitiatieven op Vlaams
(Strategisch Onderzoekscentrum (SOC) voor de maakindustrie) en Europees niveau (Horizon
2020). Eén van de doelstellingen van deze initiatieven is het ontwikkelen van technologie die
een brede waaier van toepassingen mogelijk maakt, waarin de interactie tussen mens en robot
centraal staat. Enkele voorbeelden van dergelijke toepassingen zijn assisterende robots in een
industriële omgeving - zogenaamde cobots of collaborative robots, revalidatierobots en
assisterende robots voor mensen met een beperking (zie onderstaande figuur).
Nieuws
Journées de sensibilisation en
Fabrication rapide...
Week van de miniaturisatie - 2-6
juni 2014
MIT Europe Conference 21 & 22
mei
Agenda
2014 Lerend Netwerk
Doorlooptijdverkorting -...
april-mei-juni 2014 Opleiding Thermodynamica en...
16, 22 en 28 april 2014 Welke
nieuwe...
LINKS
| Sirris
| Agoria
ACTUELE ARTIKELS
Ladingoptimale aansturing om
accu-uitrusting langer te gebruiken
(28/03/2014)
Haalbare energieopslag voor
offshore windturbines op basis van
betonnen ballen op de zeebodem
(05/07/2013)
Flexibele vliegwielen als een
goedkope oplossing voor
grootschalige energieopslag
(24/05/2013)
Sectoren waarin een groeiende rol voor assistieve robottechnologie is weggelegd
Waarom de menselijke beweging simuleren?
Simulatie Kunststofverwerking
Nanomaterialen Giettechnologie
Voor het ontwerp en de controle van dergelijke robots is er nood aan modellen van de mens.
Robotassistentie houdt in dat de robot mee beweegt met de mens en, afhankelijk van de
toepassing, de last draagt voor de mens (industriële omgeving) of diens beweging ondersteunt
(revaliderende robots of assisterende robots voor mensen met een beperking). Enerzijds
betekent dit dat de dimensies en bewegingsmogelijkheden van de robot afgestemd moeten
zijn op de mens.
Composieten en hybriden
Oppervlaktevoorbereiding
Oppervlaktetechnologie Plaatbewerking
Metalen Microbewerking Keramische
Textiel Andere
Nieuwe technieken
materialen
Robots
Verbindingstechnologie Lasertechnologie
Kinematische modellen van de mens beschrijven de menselijke bewegingsmogelijkheden en
zijn dus belangrijk bij het bepalen van het kinematisch ontwerp van de robot. Anderzijds moet
de robot ook de juiste krachten kunnen leveren om de mens te ondersteunen. Het is bijgevolg
belangrijk om niet enkel de beweging van de mens te kennen, maar ook de krachten nodig om
een bepaalde beweging uit te voeren en het aandeel van deze krachten dat de mens zelf kan
leveren. De kennis van de nodige krachtondersteuning laat toe het 'overdimensioneren' van de
motoren die de robotgeledingen aandrijven te vermijden en resulteert in lichtere en veiligere
robots.
Simulatiemodellen
In IWT-SBO-project MIRAD worden simulatiemodellen ontwikkeld die toelaten het ontwerp en
de controle af te stemmen op de mens-robot interactie. De demonstrator voor het toepassen
en evalueren van de ontwikkelde simulatiemodellen is een exoskelet dat ouderen met
spierzwakte ondersteunt bij bewegen: stappen, opstaan uit een stoel, gaan zitten, trappen open aflopen. Het is de bedoeling om de ondersteuning af te stemmen op de specifieke noden
van de gebruiker en niet meer te ondersteunen dan nodig, om de gebruiker zo actief mogelijk
te houden (assistance as needed - vergelijkbaar met het principe van een elektrische fiets).
Het doel van de simulatiemodellen is drievoudig:
Thermisch lassen en solderen
Productieautomatisering Actuatoren
Verspaning Intelligente Materialen
Thermische behandeling Kunststoffen
Meettechniek & Kwaliteit
VERWANTE ARTIKELS
In minder dan 24 uur een robot
in je KMO
Cyborg-insecten die puin
doorzoeken
Ze worden gebruikt voor het dimensioneren van de motoren die de robotgeledingen
aandrijven.
Ze ondersteunen het ontwikkelen en testen van de controle van het exoskeleton.
Simulatietesten versnellen niet alleen het ontwikkelingstraject, maar verhogen ook de
veiligheid.
Tenslotte laten real-time simulaties toe om de controle af te stemmen op de
ogenblikkelijke nood aan assistentie in de toepassing.
Simulatie van menselijke kracht en beweging
Menselijke beweging wordt typisch bestudeerd aan de hand van een inverse analyse op basis
van een model van de mens. Een inverse analyse gebruikt als input de gewenste beweging en
geeft als output de gewrichtsmomenten en spierkrachten nodig voor het uitvoeren van deze
beweging. Het model van de mens bevat de lichaamssegmenten beschreven door hun
inertieparameters (massa, massacentrum, inertiematrix), de gewrichten die definiëren hoe de
verschillende segmenten ten opzichte van elkaar kunnen bewegen, en de spieren beschreven
door hun configuratie en hun krachtproducerende eigenschappen (zie onderstaande figuur).
Wanneer de robot de mens volledig ondersteunt, is het voldoende om de gewrichtsmomenten
te kennen. Voor de vooropgestelde assistance as needed strategie in de toepassing van het
exoskelet is het echter ook nodig de zwakte van de gebruiker en dus de spieren te modelleren.
http://techniline.sirris.be/s/p.exe/WService=WO/webextra/prg/olContent3?vWebsessi... 18/04/2014
Sirris - Techniline v3
Page 2 of 3
Musculoskeletaal model van de mens
Het berekenen van de bijdrage van de verschillende spieren aan een beweging is een complex
probleem:
1.
2.
3.
Het menselijk lichaam is overgeactueerd, er zijn meer spieren dan
bewegingsvrijheidsgraden. In de simulaties wordt dit typisch opgelost door de
spierkrachtverdeling te zoeken die een bepaald performantiecriterium, bijvoorbeeld het
gebruik van metabole energie, optimaliseert.
De krachtgenererende capaciteit van een spier is afhankelijk van haar lengte en
contractiesnelheid, en dus van de gewrichtsposities en snelheden tijdens de beweging.
Er zijn zowel mono-articulaire spieren die één gewricht overspannen, als bi-articulaire
spieren die verschillende gewrichten overspannen. Er is dus een koppeling tussen de
verschillende gewrichten of, met andere woorden, de capaciteit ter hoogte van een
gewricht wordt beïnvloed door vereisten ter hoogte van een ander gewricht.
Door de bewegingsafhankelijke krachtproductie van de spieren en de koppeling tussen de
gewrichten is het maximaal moment/vermogen dat de spieren kunnen leveren ter hoogte van
een bepaald gewricht in functie van de beweging.
Toegepast op het mechatronische ontwerp van een exoskeleton
De gewenste bewegingen (kinematica en grondreactiekrachten) werden in het ganglabo van de
KU Leuven (MALL) opgemeten. Vervolgens zijn voor deze bewegingen enerzijds de
onderliggende gewrichtsmomenten en anderzijds de bijdragen van de verschillende actuatoren
aan deze momenten berekend met behulp van het softwarepakket OpenSim (simtk.org) op
basis van een musculoskeletaal model zoals hierboven beschreven (zie onderstaande figuur).
Actuatoren bestonden uit spieren en ideale momentgeneratoren ter hoogte van de gewrichten
(vereenvoudigd model van de motoren van het exoskelet). Het performantiecriterium werd zo
opgesteld dat spieractie de voorkeur kreeg. Door in het musculoskeletaal model de maximale
spierkrachten te variëren tussen 0 en 100 procent, was het mogelijk de nodige assistentie, dit
is het moment en vermogen dat de ideale momentgeneratoren moeten leveren ter hoogte van
de verschillende gewrichten, in functie van de spierzwakte te berekenen.
Schematische voorstelling van de inverse analyse
Resultaten simulaties
Uit de simulaties bleek dat assistentie ter hoogte van de enkel pas nodig is vanaf 20 procent
zwakte, en dat de knie en de heup pas ondersteuning nodig hebben vanaf 50 procent zwakte.
Bij 70 procent zwakte is het vereiste vermogen van de motoren ter hoogte van heup en knie
respectievelijk ruim 40 procent en 60 procent lager voor assistance as needed in vergelijking
met een ondersteuning van 70 procent van de vereiste gewrichtsmomenten. Deze reductie is
nog groter bij lagere percentages van zwakte.
Deze assistance as needed verschilt sterk van een ondersteuning ter grootte van een vast
percentage van de gewrichtsmomenten. Er is minder assistentie nodig als wat zou voorspeld
worden op basis van een vast percentage van de gewrichtsmomenten en bovendien is deze
assistentie slechts tijdens bepaalde delen van de bewegingscyclus en niet voor alle gewrichten
in dezelfde mate nodig (zie onderstaande figuur). De gerichte assistentie laat toe het
energiegebruik van de actuatoren te beperken, wat de autonomie en draagbaarheid van het
exoskelet ten goede komt.
Het verschil tussen de taakvereisten en de capaciteit van de gebruiker is de ondersteuning die
de robot moet leveren. Dit is hier geïllustreerd voor de enkel bij het opstaan uit een stoel voor
een persoon die 70 procent zwakker is dan een gemiddeld persoon. Deze assistance as needed
is geen vast percentage van het vereiste gewrichtsmoment. Ondersteuning is enkel nodig
tijdens een deel van de beweging.
Geplande ontwikkelingen
Binnen het MIRAD-project zijn verdere ontwikkelingen van de simulatie van de interactie
tussen mens en robot gepland.
De ontwikkeling van een volledig model van mens en exoskelet zal toelaten om ook de
contactdrukken tussen mens en exoskelet te simuleren. Deze contactdrukken zijn
belangrijk voor het comfort van de gebruiker en zullen gebruikt worden om het ontwerp
van de bevestigingsstukken te optimaliseren.
De uitbreiding van het musculoskeletale model met een model van de motorische
controle van de mens zal toelaten de reactie van de mens op de geboden ondersteuning
te modelleren. Het volledige model kan dan gebruikt worden voor het testen van de
controle in simulatie.
De ontwikkeling van real-time simulaties zal toelaten om de simulaties te gebruiken in
http://techniline.sirris.be/s/p.exe/WService=WO/webextra/prg/olContent3?vWebsessi... 18/04/2014
Sirris - Techniline v3
Page 3 of 3
de controle.
MIRAD
Met het IWT-SBO-project MIRAD voert een multidisciplinair consortium van kenniscentra
(KU Leuven, VUB, Sirris en Thomas More Kempen), revalidatiecentra (MS-centrum
Melsbroek en revalidatieziekenhuis RevArte) en de industrie (Space Applications
Services), met steun van IWT, onderzoek en ontwikkeling in assistieve robottechnologie.
Naast de valorisatie van de projectresultaten in concrete R&D-cases van bedrijven,
beoogt dit project het opzetten van een kennisplatform voor assistieve robottechnologie
in Vlaanderen. Een gebruikerscommissie van bedrijven en sociale/publieke actoren
stuurt het project actief aan, ondermeer via R&D-cases. Interesse om hierin een rol te
spelen? Neem contact op met een van onderstaande personen!
Bron
www.mirad-sbo.be
Contactpersoon: Sirris, Pieter Beyl
E-mail [email protected]
Tel. +32 498 91 94 57 Fax +32 16 32 29 84
Contactpersoon: KU Leuven, Friedl De Groote
E-mail [email protected]
Tel. +32 16 32 24 87
Mijn antwoord/mijn reactie


Pieter
Beyl
Sirris
Reageer nu
Statistieken
Print
Mail
Help
http://techniline.sirris.be/s/p.exe/WService=WO/webextra/prg/olContent3?vWebsessi... 18/04/2014