Modelling interaction forces at a curved physical human-exoskeleton interface

In virtual modelling of exoskeletons, the human-exoskeleton interface is often simplified by modelling the interface forces at a single point instead of contact forces due to the straps or cuffs. In the past, force-generating elements (FGEs) have been used to predict ground reaction forces. However, unlike the ground, which is a planar surface, the human-exoskeleton interface presents curved surfaces. This work discusses the modifications required for using the FGEs for predicting the curved human-exoskeleton interface forces of a passive lower-limb exoskeleton, the Chairless Chair. A pressure mat was positioned at the human-exoskeleton interface to measure the area of contact and the centre of pressure (CoP) in three different sitting conditions. The strength of the FGEs was analysed in detail and its optimization based on the model outputs is discussed. The strength affects the model assistance and the CoP, and these outputs could be used to identify the optimal value of the strength. The strength of the FGEs affects the biomechanical outputs from the model also. Therefore, it is crucial to select the correct value of the strength. The results of this work would be useful for the detailed modelling of the human-exoskeleton interface

Modelling friction at the mechanical interface between the human and the exoskeleton

In virtual assessments of exoskeletons, often, friction is not modelled even though the actual interface consists of straps or moulded surfaces, where friction could play a significant role. In this work, the human-exoskeleton interaction during the use of a passive lower limb exoskeleton is modelled in three test cases through two different interface models. In particular, a model introducing friction at the human-exoskeleton interface is compared with a more conventional model that uses a kinematic joint to simulate the interface forces. Both the models show a good match between the empirical and predicted distribution of body weight between the subject and the exoskeleton. However, the results also show different trends of the moment required at the assisted joint by the different interface models, highlighting the importance of a realistic interface model to investigate the effectiveness of the exoskeleton in virtual assessments

Robotic design and modelling of medical lower extremity exoskeletons

This study aims to explain the development of the robotic Lower Extremity Exoskeleton (LEE) systems between 1960 and 2019 in chronological order. The scans performed in the exoskeleton system’s design have shown that a modeling program, such as AnyBody, and OpenSim, should be used first to observe the design and software animation, followed by the mechanical development of the system using sensors and motors. Also, the use of OpenSim and AnyBody musculoskeletal system software has been proven to play an essential role in designing the human-exoskeleton by eliminating the high costs and risks of the mechanical designs. Furthermore, these modeling systems can enable rapid optimization of the LEE design by detecting the forces and torques falling on the human muscles

Développement d’un exosquelette portable motorisé des membres supérieurs pour les enfants atteints de troubles neuromusculaires

RÉSUMÉ Les maladies neuromusculaires sont très fréquentes chez les enfants suivis en réadaptation. Ces maladies se traduisent par des faiblesses musculaires, des troubles de coordination ou encore des tremblements. Au niveau du membre supérieur, ces pathologies handicapent le quotidien des enfants qui se trouvent limités dans la réalisation de plusieurs tâches, telles que simplement boire et manger. Les aides existantes sont la plupart du temps qu’esthétiques, et les solutions fonctionnelles sont majoritairement inadéquates et peu polyvalentes, c’est-à-dire qu’elles ne sont bonnes que pour une tâche particulière. À cela s’ajoute le fait que l’acceptation des dispositifs d’assistance est souvent difficile par les enfants. C’est donc dans ce contexte qu’est née l’idée de concevoir le premier exosquelette portable motorisé des membres supérieurs pour les enfants atteints de troubles neuromusculaires. Ce mémoire présente le développement d’un exosquelette portable motorisé pour la pédiatrie. Sa conception est novatrice, en ayant pour objectifs principaux une utilisation intuitive et un aspect physique le plus discret possible et le moins contraignant. Pour se faire, seulement quatre degrés de liberté ont été sélectionnés, soient les mouvements de flexion et extension et d’adduction et abduction à l’épaule, et de flexion et d’extension et de pronation et supination au coude. Dans un souci d’optimiser l’utilisation de l’exosquelette par rapport aux besoins de l’utilisateur, des éléments passifs, tel un ressort, ont été utilisés pour amener le bras et son exosquelette dans la position neutre désirée, position autour de laquelle l’exosquelette est plus efficace. L’exosquelette est conçu de sorte à avoir une production et un assemblage aisés, grâce notamment aux techniques de prototypage rapide. Ces procédés de fabrication permettent de réduire les coûts, car les pièces deviennent facilement remplaçables suivant la croissance de l’enfant ou un bris. Autre fait important concernant l’exosquelette développé : il présente des mécanismes d’ajustement au niveau des dimensions pour le rendre plus polyvalent. Finalement, un prototype a été imprimé en trois dimensions. Ce prototype est fonctionnel et fait l’objet d’une preuve de concept, qui pourra être testée sur une population d’enfants présentant des troubles neuromusculaires. La preuve de concept coûte moins de 2000 $CA en composants et matériaux, alors que, à titre d’exemple, des exosquelettes motorisés du membre inférieur se vendent, en général, 50 000$CA et plus. L’exosquelette a donc le potentiel d’être abordable, et du fait même accessible pour les enfants et leur famille, si son prix de vente est sous les 10 000 $CA.----------ABSTRACT Neuromuscular diseases are very common in children undergoing rehabilitation. These diseases result in muscle weakness, coordination disorders or tremors. At the level of the upper limb, these pathologies hinder the daily lives of children who are limited in the accomplishment of several tasks, such as drinking and eating. The existing technical aids are mostly aesthetic, and the functional solutions are mostly inadequate and not very versatile . In addition, the adherence to the use of assistive devices is often low for children. It is in this context that was born the idea to design the first portable motorized exoskeleton of the upper limbs for children with neuromuscular disorders. This master thesis presents the development of a motorized portable exoskeleton for pediatrics. Its design is innovative, with the main objectives of an intuitive use and an appearance as discreet and unrestrictive as possible. To do so, only four degrees of freedom were selected, namely flexion and extension and adduction and abduction at the shoulder, and flexion and extension and pronation and supination at the elbow. In order to optimize the use of the exoskeleton with respect to the needs of the user, passive elements, such as a spring, have been used to bring the arm and its exoskeleton into the desired neutral position, around which the exoskeleton is more efficient. The exoskeleton is designed for easy production and easy assembly , using three dimensions printing and other rapid prototyping techniques, for electronics among others. These manufacturing processes also make the system less expensive, where the parts can be easily replaceable in the event of breakage or growth of the child. Another important fact concerning the exoskeleton is the presence of adjustment mechanisms for dimensioning. Finally, a prototype was manufactured. This prototype is functional and acts as a proof of concept, which can be tested on a population of children with neuromuscular disorders. This proof of concept costs under 2000 CAD for its components and materials, when motorized exoskeletons, for the lower limb, cost in general over 50 000 CAD. The designed exoskeleton therefore has the potential to be affordable, and at the same time accessible to children and their families if the selling price is under 10 000 CAD

Computational Synthesis of Wearable Robot Mechanisms: Application to Hip-Joint Mechanisms

Since wearable linkage mechanisms could control the moment transmission from actuator(s) to wearers, they can help ensure that even low-cost wearable systems provide advanced functionality tailored to users' needs. For example, if a hip mechanism transforms an input torque into a spatially-varying moment, a wearer can get effective assistance both in the sagittal and frontal planes during walking, even with an affordable single-actuator system. However, due to the combinatorial nature of the linkage mechanism design space, the topologies of such nonlinear-moment-generating mechanisms are challenging to determine, even with significant computational resources and numerical data. Furthermore, on-premise production development and interactive design are nearly impossible in conventional synthesis approaches. Here, we propose an innovative autonomous computational approach for synthesizing such wearable robot mechanisms, eliminating the need for exhaustive searches or numerous data sets. Our method transforms the synthesis problem into a gradient-based optimization problem with sophisticated objective and constraint functions while ensuring the desired degree of freedom, range of motion, and force transmission characteristics. To generate arbitrary mechanism topologies and dimensions, we employed a unified ground model. By applying the proposed method for the design of hip joint mechanisms, the topologies and dimensions of non-series-type hip joint mechanisms were obtained. Biomechanical simulations validated its multi-moment assistance capability, and its wearability was verified via prototype fabrication. The proposed design strategy can open a new way to design various wearable robot mechanisms, such as shoulders, knees, and ankles.Comment: 28 pages, 7 figures, Supplementary Material

Development of a Procedure to Optimize the Geometric and Dynamic Designs of Assistive Upper Limb Exoskeletons

RÉSUMÉ La faiblesse musculaire chez les patients atteints de maladies neuromusculaires peut réduire leur capacité à réaliser des activités quotidiennes primordiales telles que manger ou se laver. Les dispositifs d'assistance disponibles offrent des fonctionnalités limitées et ne permettent pas de restaurer l'autonomie des patients. D'autre part, la fatigue musculaire chez les travailleurs œuvrant dans un environnement éprouvant peut provoquer des blessures et une mauvaise qualité de vie. Bien qu'il existe de nombreux outils pour les aider, l'effort requis peut tout de même être hautement exigeant. Les exosquelettes d’assistance sont bien adaptés pour aider ces deux populations, car ils visent à supporter l'utilisateur en diminuant l'effort nécessaire pour accomplir ses tâches quotidiennes. Le développement de tels dispositifs est une tâche fastidieuse, car les interactions en 3D entre le corps humain et l'exosquelette ainsi que le choix des caractéristiques du système de transmission de puissance, c'est-à-dire les moteurs ou les éléments passifs, sont très complexes et interdépendants. Pour ajouter à cette difficulté, il existe très peu de lignes directrices ou de procédures claires pour soutenir la synthèse géométrique et dynamique d'exosquelettes d’assistance et portable des membres supérieurs. Les paramètres géométriques sont les dimensions de l'exosquelette tandis que les paramètres dynamiques sont les caractéristiques des moteurs et des éléments passifs, tels que des ressorts. L'objectif de ce mémoire de maîtrise est de développer une procédure de synthèse géométrique et dynamique pour soutenir la conception d'un exosquelette de membre supérieur. Tout d'abord, une optimisation géométrique des dimensions de l'exosquelette a permis de maximiser la fermeture de la boucle cinématique et d'éviter les collisions avec les segments du corps tout en réalisant des tâches fonctionnelles spécifiques. Ensuite, grâce à un problème de contrôle optimal, les caractéristiques dynamiques de l'exosquelette ont été obtenues en minimisant les couples articulaires de l'utilisateur pour les mêmes tâches fonctionnelles. Les dimensions optimisées de l'exosquelette ont permis de réussir la fermeture de boucles pour toutes les tâches, soit 10,8 % de plus qu'avec une identification visuelle des dimensions. Quant à eux, les paramètres dynamiques ont pu réduire le couple articulaire de l'utilisateur à moins de 10,6 % des simulations sans exosquelettes pour presque toutes les articulations et les tâches. En conclusion, ces résultats ont montré que la procédure de synthèse était réussie. Cela pourra permettre le développement d'exosquelettes plus légers et plus petits ayant le potentiel d'être commercialisés à court terme. Les perspectives de cette recherche sont de développer une procédure d'optimisation où les paramètres géométriques et dynamiques sont optimisés simultanément et de minimiser les forces musculaires plutôt que les couples articulaires de l'utilisateur pour soutenir des objectifs de design et des objectifs cliniques.----------ABSTRACT Muscular weakness for patients affected by neuromuscular diseases can reduce their ability to realize primordial daily activities such as eating or washing themselves. The available assistance devices offer limited functionalities and do not restore autonomy for the patients. On the other hand, muscular fatigue for workers in tough physical environments can cause injuries and poor quality of life. While there are a lot of tools to help them, the required effort can still be very demanding. Assistive exoskeletons are well suited to help both these populations as they aim to assist the user by lowering the effort necessary to accomplish his everyday tasks. The development of such devices is a tedious task as the 3D human-exoskeleton interactions and the selection of the power transmission system characteristics, i.e. motors or passive elements, are highly complex and interdependent. To add to this complexity, there are very little to no guidelines or clear procedures for supporting the geometric and dynamic synthesis of wearable and assistive upper limb exoskeletons. The geometric parameters are the dimensions of the exoskeleton while the dynamic parameters are the characteristics of motors and passive elements such as springs. The objective of this master thesis was to develop a geometric and dynamic synthesis procedure to support the design of an upper limb exoskeleton. First, a geometric optimization of the exoskeleton dimensions enabled to maximize the kinematic loops closure and to avoid collisions with the body segments while carrying out specific functional tasks. Then, through an optimal control problem, the exoskeleton dynamic characteristics were obtained by minimizing the user joint torques for the same functional tasks. The optimized exoskeleton dimensions could reach loop closure for all tasks, 10.8% more than with a visual identification of the dimensions. The resulting dynamic parameters could reduce the user’s joint torque to less than 10.6% of the human-only simulations for nearly all joints and tasks. To conclude, these results showed that the synthesis procedure was successful. This is important as it can enable the development of lighter and smaller exoskeletons that have the potential to reach commercialization. The future perspectives are to build an optimization framework where the geometric and dynamic parameters are optimized together and to minimize the muscle force instead of the user’s joint torques to support clinical and design purposes