Onbewust van de vele benodigde acties neem je een slok van een glas water. Je hersenen zijn door het vele malen herhalen zodanig geprogrammeerd dat ze arm en hand aansturen zonder dat je je hierover nog druk hoeft te maken. Niettemin is het een zeer gedetailleerd interactief proces; een aaneenschakeling van afzonderlijke handelingen, waarbij veel dataverwerking voor aansturing en terugkoppeling moet worden uitgevoerd. Kijk maar eens hoeveel moeite peuters hebben als ze leren drinken, of hoe lastig het is als je iets met je linker- in plaats van je rechterhand doet.

Ernstig motorisch gehandicapte personen met zeer beperkte arm- en handfunctie, bijvoorbeeld mensen met spierdystrofie, ervaren grote problemen als ze alledaagse taken als drinken, eten of iets simpelweg oppakken moeten uitvoeren. Sommigen zijn zelfs voor de meest eenvoudige handelingen volledig aangewezen op hulpverleners. Met de Manus-manipulator kunnen ze sommige taken weer zelfstandig uitvoeren. Het gedachteloos nemen van een slok blijft echter onmogelijk. De benodigde handelingen vergen veel aandacht en bewuste interactie. Zelfstandigheid is een grote wens voor mensen met een lichamelijke beperking. Manus moet het gebrek aan arm- en handfunctionaliteit compenseren. Het is geen robot maar een telemanipulator. De gebruiker kan de kleinste bewegingen aansturen zodat hij allerlei handelingen en taken kan uitvoeren in ongestructureerde omgevingen, zeg maar de woon- en werkomgeving. Gebruikers van de manipulator hebben tevens vaak problemen met hun mobiliteit en daardoor behoefte aan een elektrische rolstoel. De Manus, met een gewicht van hooguit twintig kilogram, kan op een elektrische rolstoel worden gemonteerd. Hij vergroot daardoor extra de mate van vrijheid en zelfstandigheid van de gebruiker. De rolstoel fungeert voor de manipulator als een mobiel platform. Bovendien betrekt de manipulator de benodigde energie van het 24-voltsysteem in de rolstoel.

Deel van mijn leven

“Ik ben verbaasd over wat Manus kan doen”, schrijft Jamie Smith, de eerste Amerikaan die de manipulator mocht uitproberen. Hij heeft een zeer zeldzame ziekte, waardoor hij bepaalde spieren in armen en benen mist. Zijn linkerarm is gebogen, zijn rechterarm is continu gestrekt. “Ik kan nu zelf dingen doen die ik voorheen niet zonder hulp kon uitvoeren, bijvoorbeeld drinken inschenken en dingen pakken waar ik eerst niet bij kon. (…) In een jaar tijd is de arm een integraal onderdeel van mijn leven geworden.” Inmiddels hebben onderzoekers in diverse landen het gebruik van de manipulator door gehandicapten onderzocht. De resultaten van de onderzoeken zijn positief, al zijn er altijd wel wensen voor verbeteringen. De manipulator lijkt zich al binnen twee jaar terug te verdienen. De toegenomen zelfstandigheid maakt de gebruikers minder afhankelijk van professionele hulpverleners, en dat zorgt voor een aanzienlijke besparing. Manus is een schoolvoorbeeld van een mechatronisch systeem. Mechatronica combineert kennis uit diverse disciplines – zoals mechanica, regeltechniek en software engineering – om tot optimaal werkende producten te komen. Technici van TNO-Technisch Physische Dienst in Delft ontwikkelden voor Manus de mechatronische techniek. Bij het iRv, het Kenniscentrum voor Revalidatie en Handicap in Hoensbroek, stond een bruikbare bediening en software centraal. De ontwerpers plaatsten de aandrijving (motoren en vertragingsbakken) en de elektronica in de hoofdkolom. Dat zorgde voor een slanke en lichte uitvoering van de manipulatorarm. Door slim plaatsen van de diverse componenten is de kolom zelf ook redelijk slank uitgevoerd. Dit is essentieel, omdat de gebruiker met rolstoel en manipulator gemakkelijk door nauwe deuropeningen moet kunnen rijden.

Intermezzo

Vrijheidsgraden

Kijk je naar je eigen arm, dan zie je dat je die op diverse manieren kan bewegen. Je kunt de arm vanuit de schouder zijwaarts bewegen en bovendien naar voren en naar achteren draaien, je kunt de onderarm ten opzichte van de bovenarm bewegen en je kunt via het polsgewricht de hand in diverse standen zetten. Daarmee beschikt een arm over diverse vrijheidsgraden voor bewegen. Samen zorgen ze ervoor dat je rondom overal bijkan. Schakel je een van de vrijheidsgraden uit, dan merk je hoe belangrijk het samenspel tussen al die arm- en schouderspieren is. De robotarm Manus bestaat uit diverse leden en een grijper die via motoren en scharnieren met elkaar zijn verbonden. De motoren leveren de kracht voor de beweging van de onderdelen ten opzichte van elkaar en het draaien van de hoofdarm ten opzichte van de rolstoel. Bij sommige gewrichten kan het ene onderdeel eindeloos ronddraaien ten opzichte van het andere. Het heeft volledige vrijheid bij het draaien. Het kantelen van de grijper ten opzichte van de ‘pols’ is daarentegen beperkt, tot 140º, alhoewel de grijper in het verlengde van de onderarm wel oneindig kan draaien. Een extra uitbreiding van de Manus-manipulator op rolstoelen verschaft een extra vrijheidsgraad. Dit is een soort lift, die de arm ten opzichte van de rolstoel enkele decimeters omhoog en omlaag kan laten bewegen. Daarmee komen voorwerpen op de vloer of op een iets hoger hangende plank binnen het grijpbereik van de gebruiker.

Acht vrijheidsgraden

In tegenstelling tot een werkplekrobot moet Manus in wisselende omgevingen werken. Hij is daarom ontworpen als een flexibele door de gebruiker te bedienen manipulator. Toch zijn enkele bewegingen voorgeprogrammeerd. Als de gebruiker de manipulator niet nodig heeft, kan hij hem, vanwege de veiligheid bij rijden van de rolstoel, invouwen. Het uitvouwen en invouwen zijn complexe bewegingen en daarom voorgeprogrammeerd, evenals het uitvoeren van een drinkbeweging. De besturing van Manus is bij aanvang niet altijd even eenvoudig. Hij heeft acht bewegingsmogelijkheden (vrijheidsgraden). Het is – zeker voor mensen met motorische beperkingen – nauwelijks mogelijk meer dan twee vrijheidsgraden tegelijk aan te sturen. Voor het bedieningsgemak hebben de ontwerpers gekozen voor een zogenaamde mode-structuur. De ‘modes’ delen bewegingen op in samenhangende deelbewegingen, die de gebruiker elk met een of twee vrijheidsgraden aanstuurt. Hij kan bijvoorbeeld in de XYZ-mode de grijper verplaatsen in horizontale en verticale richting, waarna hij voor het verdraaien en verstellen van de grijper overschakelt naar de grijpermode. Uitvouwen en invouwen zijn aparte modes.

Bediening

De mode-structuur is belangrijk voor een eenvoudige bediening. De ontwikkelaars van de robotarm hebben daarom veel aandacht besteedt aan dit facet. Met een hiervoor ontwikkeld softwareprogramma kunnen ze modes ontwerpen die optimaal zijn voor het toe te passen bedieningselement. Bovendien kunnen ze de structuur aanpassen voor elke individuele gebruiker met zijn specifieke handicap. Dit programma biedt tevens extra faciliteiten voor het oefenen van de gebruiker in de besturing van de manipulator. Tijdens de training krijgt de gebruiker via een computerbeeldscherm extra informatie over de mode-structuur, welke mode tijdens de besturing actief is en de actuele lay-out van het bedieningselement. Een voorbeeld: in de grijpmode zitten achter de toetsen van de matrix andere handelingen verborgen dan in een van de verplaatsingsmodes. De geoefende gebruiker ziet tijdens het dagelijks gebruik op een klein led-display welke mode actief is.

Begrijpen en oefenen

Al verschaft de Manus-manipulator een gehandicapte een enorme zelfstandigheid, toch komt daar nog veel bij kijken. Het op de juiste manier leren aansturen van de manipulator om de gewenste bewegingen en handelingen uit te voeren vergt aandacht, concentratie en inspanning. Behalve problemen van motorische aard bij de bediening van toetsenbordje, schakelaars of joystick kunnen mensen problemen ondervinden met de opzet van de modestructuur. Het kiezen van geschikte besturingsmodes voor de uit te voeren bewegingen en het zich eigen maken van de aan elke mode gerelateerde betekenis van standen van de joystick, schakelaars of toetsen in het toetsenbordje kost vaak vele dagen trainingsarbeid. De ontwikkeling van efficiënte besturingsconcepten verdient veel aandacht. De ergotherapeuten die de gebruikers begeleiden, moeten daarbij rekening houden met de cognitieve mogelijkheden van de gebruikers. Andere cognitieve aspecten hebben te maken met bepalen en begrijpen van besturingsstrategieën. Door hun handicap hebben met name jonge mensen zich vaak geen algemene strategieën eigen kunnen maken hoe systemen te besturen. Ze hebben vaak zelfs nauwelijks een voorstelling wat driedimensionale ruimte betekent en hoe objecten in deze ruimte op te pakken en te verplaatsen. Begrippen als links en rechts, voor en achter en hoog en laag hebben voor hen weinig betekenis. Zij hebben bovendien geen ervaring met het uitoefenen van krachten op een voorwerp. Dat een voorwerp gewicht heeft en daardoor van invloed is op de acties en reacties bij opnemen en verplaatsen, is onduidelijk. Een kleuter maakt zich dit in een vroeg stadium van zijn groeiproces spelenderwijs eigen, maar jonge gebruikers van de Manus missen die ervaring. Deze problemen, die het trainingsproces vaak bemoeilijken, maken aan de andere kant het gebruik van Manus zeer leerzaam. Tegelijkertijd krijgen de gebruikers een beter en realistischer beeld van hun omgeving. Deze algemene kennis kan tevens goed van pas komen bij het leren uitvoeren van andere activiteiten.

Veiligheid

Veiligheid was een uiterst belangrijke randvoorwaarde bij het ontwerp van de Manus. Zowel in het mechanische als het elektronische ontwerp hebben ze daarvoor aanpassingen aangebracht. Op de eerste plaats komt natuurlijk de veiligheid van de gebruiker. De beperking van de stroomtoevoer en de toepassing van slipkoppelingen voorkomt via zowel elektrische als mechanische weg dat de Manus-manipulator kan ‘doorduwen’ in kritische situaties. Bij het naar de mond brengen van een glas, moet de arm inhouden als hij weerstand ontmoet. Daarnaast gelden voor de bewegende delen snelheidslimieten en maximale traagheidsmomenten. Bij eventuele ‘botsingen’ kan de arm daardoor geen ernstige schade aanrichten. De knijpkracht van de grijper wordt opgebouwd door het aanspannen van een veer. De maximale kracht daarvan is dusdanig gekozen dat het, bijvoorbeeld voor een begeleider, altijd mogelijk is de grijper handmatig te openen. Besturingsconcepten zijn zodanig ontworpen dat bewegingen van de manipulator alleen mogelijk zijn als de gebruiker ‘bewust’ stuursignalen genereert. Zelfs voorgeprogrammeerde bewegingen, zoals uitvouwen en invouwen, voert de manipulator slechts uit als hij een continu stuursignaal ontvangt, bijvoorbeeld doordat een gebruiker de betreffende toets op het toetsenbordje langdurig indrukt. Het loslaten van deze toets stopt direct de beweging. De manipulator honderd procent veilig maken is echter een onmogelijke opdracht. Een veilige Manus is een manipulator die niet kan bewegen en dus onbruikbaar zou zijn.

Rijsnelheid

Slipkoppelingen en kleine traagheidsmomenten verkleinen tevens de kans op beschadigingen van de manipulator zelf. Tegelijkertijd rijden met de rolstoel en besturen van de manipulator is onmogelijk. Dat zou zeer gevaarlijke situaties kunnen opleveren. Met uitgevouwen Manus, de werksituatie, beperkt het systeem tevens de maximale snelheid van de rolstoel. Als de gebruiker de manipulator laat invouwen, kan hij weer met normale snelheid rijden. In deze situatie wordt Manus tevens beschermd door zijn ophangbeugel. In Nederland gebruiken tot nu toe ongeveer zeventig personen de Manus-manipulator. Naar het buitenland zijn in totaal ongeveer vijftig exemplaren verkocht. In België is de manipulator op een beurs gepresenteerd. Niettemin is hij nog lang niet af. Het onderzoek naar nieuwe gebruiksmogelijkheden van deze hulpvaardige arm gaat door. Een nieuw aspect van onderzoek is het op afstand, via internet, kunnen trainen en verlenen van service. Nieuwe mogelijkheden voor besturing richten zich op terugkoppeling van krachtinformatie vanuit de grijper en uitvoering van voorgeprogrammeerde taken. Een nieuwe taak zal door de Manus moeten kunnen worden ‘aangeleerd’ door de betreffende handeling ‘voor te doen’. Speciale aandacht is vereist voor besturingsconcepten die ‘taaksturing’ en ‘grijpermanipulatie’ met elkaar integreren. Met deze verdere ontwikkeling moeten gebruikers in de toekomst nog meer handelingen zelfstandig kunnen uitvoeren.

Intermezzo

De derde arm

De manipulator Manus bevat in totaal zeven aandrijvingen, verborgen in de hoofdkolom. Deze motoren zijn eenvoudige 24-volt-gelijkstroommotoren. Direct-drive-motoren met de gewenste specificaties met betrekking tot snelheid, koppel en afmetingen bestaan helaas nog niet. Elke motor drijft een vertragingsbak aan. De vertragingsbak drijft vervolgens via een slipkoppeling de mechanica in de arm zelf aan. De werkelijkheid is complexer dan deze beschrijving, omdat alle assen onderling zijn gekoppeld. Dit betekent dat bij iedere verplaatsing van een as de software in de besturing moet compenseren voor één of meer andere assen opdat de grijper de bewegingen correct kan uitvoeren. Houdt de grijper een glas water vast, dan moet de software ondanks alle rotaties en verplaatsingen binnen de arm toch het glas recht houden. Mechanische veren compenseren het eigengewicht van de arm, zodat de motoren ontlast worden. Bij elke aandrijving – tussen motor en mechanica – zijn twee hoek-encoders opgenomen. Deze meten de veranderingen. De incrementele hoek-encoder kan alleen hoekveranderingen meten, terwijl een absolute hoek-encoder de absolute positie van de arm aangeeft. De incrementele hoek-encoder is zeer nauwkeurig en kan snel worden uitgelezen. De besturing van Manus gebruikt dan ook vooral deze encoder. De absolute hoekencoder geeft informatie aan de software bij het opstarten van Manus, zodat het apparaat precies weet in welke stand het staat en om te detecteren of slip is opgetreden. Dat kan bijvoorbeeld optreden als iemand de arm wegtrekt in een gevaarlijke situatie. Als slip optreedt, zet de besturing de arm automatisch in een veilige toestand. De gebruiker kan daarna zelf beslissen of hij opnieuw wil initialiseren of niet.