77 research outputs found

    Achieving commutation control of an MRI-powered robot actuator

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    Actuators that are powered, imaged, and controlled by magnetic resonance (MR) scanners could inexpensively provide wireless control of MR-guided robots. Similar to traditional electric motors, the MR scanner acts as the stator and generates propulsive torques on an actuator rotor containing one or more ferrous particles. Generating maximum motor torque while avoiding instabilities and slippage requires closed-loop control of the electromagnetic field gradients, i.e., commutation. Accurately estimating the position and velocity of the rotor is essential for high-speed control, which is a challenge due to the low refresh rate and high latency associated with MR signal acquisition. This paper proposes and demonstrates a method for closed-loop commutation based on interleaving pulse sequences for rotor imaging and rotor propulsion. This approach is shown to increase motor torque and velocity, eliminate rotor slip, and enable regulation of rotor angle. Experiments with a closed-loop MR imaging actuator produced a maximum force of 9.4 N

    Développement d'une unité de valves motorisées et algorithme de transition pour actionnement hydrostatique bimodal d'une jambe robotique

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    Les robots mobiles, tels que les exosquelettes et les robots marcheurs, utilisent des actionneurs qui doivent satisfaire à une large plage de requis de force et de vitesse. Par exemple, pour le cycle de marche d’une jambe robotique, la phase d’appui nécessite une force élevée tandis que la phase de balancement requiert une grande vitesse. Pour satisfaire ces requis opposés, le dimensionnement d’un système d’actionnement traditionnel à rapport de réduction unique conduit généralement à un moteur électrique lourd, surdimensionné et à une faible efficacité énergétique. Ainsi, l’alternative explorée est une architecture hydrostatique à deux vitesses où des valves motorisées sont utilisées pour reconfigurer dynamiquement le système entre deux modes de fonctionnement : fort ou rapide. La complexité réside dans le choix d’une technologie de valve légère ainsi que dans le développement d’un algorithme de contrôle permettant de réaliser les transitions de manière rapide et fluide. Un prototype d’une unité de valves motorisées est conçu et intégré dans l’architecture hydrostatique complète de l’actionneur et un banc d’essai d’une jambe robotique est fabriqué. Trois stratégies de contrôle des moteurs sont comparées lors du changement de mode : une vitesse constante, une diminution de vitesse et une réduction du courant. La méthode choisie, le contrôle en courant, est ensuite utilisée pour la démonstration des phases d’appui et de balancement de la jambe robotique. Par cette méthode, il est possible d’effectuer des transitions rapides, de maintenir une force suffisante et de minimiser les oscillations qui surviennent lors du contact avec le sol. Ces travaux offrent donc un premier point de comparaison au niveau du choix de valves, de la masse, de la vitesse d’actionnement et de la stratégie de contrôle

    Closed-Loop Control of Local Magnetic Actuation for Robotic Surgical Instruments

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    We propose local magnetic actuation (LMA) as an approach to robotic actuation for surgical instruments. An LMA actuation unit consists of a pair of diametrically magnetized single-dipole cylindrical magnets, working as magnetic gears across the abdominal wall. In this study, we developed a dynamic model for an LMA actuation unit by extending the theory proposed for coaxial magnetic gears. The dynamic model was used for closed-loop control, and two alternative strategies-using either the angular velocity at the motor or at the load as feedback parameter-were compared. The amount of mechanical power that can be transferred across the abdominal wall at different intermagnetic distances was also investigated. The proposed dynamic model presented a relative error below 7.5% in estimating the load torque from the system parameters. Both the strategies proposed for closed-loop control were effective in regulating the load speed with a relative error below 2% of the desired steady-state value. However, the load-side closed-loop control approach was more precise and allowed the system to transmit larger values of torque, showing, at the same time, less dependence from the angular velocity. In particular, an average value of 1.5 mN·m can be transferred at 7 cm, increasing up to 13.5 mN·m as the separation distance is reduced down to 2 cm. Given the constraints in diameter and volume for a surgical instrument, the proposed approach allows for transferring a larger amount of mechanical power than what would be possible to achieve by embedding commercial dc motors

    Development of Remote Handling Technologies Tolerant to Operation Ready Fusion Reactor Conditions

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    The International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) will be the next step towards fusion power plants, featuring deuterium-tritium plasma to generate 500 MW of fusion power. Using tritium will result in the activation of the vacuum vessel materials, requiring robotic manipulators to carry out the maintenance of the machine. One of these robots must perform inspection tasks, such as carrying the ITER In-Vessel Viewing System (IVVS), and will need to be deployed in conditions as close as possible to the operating machine; the vacuum inside the vessel should be kept clean, the wall temperature and radiation level will be high, and the toroidal magnetic field should still be on. The robot should be able to place the probe within view of a good percentage of the plasma-facing wall covering the whole vacuum vessel. This study aims to provide technical solutions for every system of a robotic manipulator in this environment. The effects of the magnetic field on the different systems of a robot will be investigated, from the fundamentals of theory to practical experimentation, using a specially designed magnetic field generator. Solutions for actuation, sensing, logic system, and command that are tolerant of the magnetic field or actively use it to enhance the performance of the robotic manipulator are provided. A preliminary design of a robot using the technical solutions developed in this thesis as per the specifications of the IVVS is presented. The design is meant to demonstrate the feasibility of a robotic manipulator featuring multiple degrees of freedom within the constraints considered. Guidelines for geometry, actuation, sensing and logic systems design are provided that should allow the robotic manipulator to place its probe for it to view more than 99% of the first wall. Finally, a summary of the major contributions of the thesis is given in conclusion. The major effects of a magnetic field on robot components are listed with guidelines on how to cope with them in the design. This chapter also sums up the different technologies, their advantages, and their limitations

    Characterization and analysis of an MRI compatible robot design for wrist psychophysics and rehabilitation

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    Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2006.Includes bibliographical references (leaves 110-112).The MIT Wrist Robot has demonstrated the effectiveness of robotic therapy in aiding the rehabilitation of stroke victims. In order to investigate the neurological processes involved in this therapy and evaluate its effectiveness a patented MRI compatible version of the wrist robot is being developed, so that therapy and brain imaging may be carried out simultaneously. Patient actuation is accomplished with two standard electric motors, located outside the MRI chamber, which drive a non-ferrous, MRI compatible, low impedance hydraulic fluid transmission, consisting of two pairs of custom designed and fabricated vane motors. This thesis details the characterization and redesign of this robot, with emphasis placed upon the hydraulic system.Nevan Clancy Hanumara.S.M

    Snake Robots for Surgical Applications: A Review

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    Although substantial advancements have been achieved in robot-assisted surgery, the blueprint to existing snake robotics predominantly focuses on the preliminary structural design, control, and human–robot interfaces, with features which have not been particularly explored in the literature. This paper aims to conduct a review of planning and operation concepts of hyper-redundant serpentine robots for surgical use, as well as any future challenges and solutions for better manipulation. Current researchers in the field of the manufacture and navigation of snake robots have faced issues, such as a low dexterity of the end-effectors around delicate organs, state estimation and the lack of depth perception on two-dimensional screens. A wide range of robots have been analysed, such as the i2Snake robot, inspiring the use of force and position feedback, visual servoing and augmented reality (AR). We present the types of actuation methods, robot kinematics, dynamics, sensing, and prospects of AR integration in snake robots, whilst addressing their shortcomings to facilitate the surgeon’s task. For a smoother gait control, validation and optimization algorithms such as deep learning databases are examined to mitigate redundancy in module linkage backlash and accidental self-collision. In essence, we aim to provide an outlook on robot configurations during motion by enhancing their material compositions within anatomical biocompatibility standards

    Design of a shape memory alloy actuator for soft wearable robots

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    Soft robotics represents a paradigm shift in the design of conventional robots; while the latter are designed as monolithic structures, made of rigid materials and normally composed of several stiff joints, the design of soft robots is based on the use of deformable materials such as polymers, fluids or gels, resulting in a biomimetic design that replicates the behavior of organic tissues. The introduction of this design philosophy into the field of wearable robots has transformed them from rigid and cumbersome devices into something we could call exo-suits or exo-musculatures: motorized, lightweight and comfortable clothing-like devices. If one thinks of the ideal soft wearable robot (exoskeleton) as a piece of clothing in which the actuation system is fully integrated into its fabrics, we consider that that existing technologies currently used in the design of these devices do not fully satisfy this premise. Ultimately, these actuation systems are based on conventional technologies such as DC motors or pneumatic actuators, which due to their volume and weight, prevent a seamless integration into the structure of the soft exoskeleton. The aim of this thesis is, therefore, to design of an actuator that represents an alternative to the technologies currently used in the field of soft wearable robotics, after having determined the need for an actuator for soft exoskeletons that is compact, flexible and lightweight, while also being able to produce the force required to move the limbs of a human user. Since conventional actuation technologies do not allow the design of an actuator with the required characteristics, the proposed actuator design has been based on so-called emerging actuation technologies, more specifically, on shape memory alloys (SMA). The mechanical design of the actuator is based on the Bowden transmission system. The SMA wire used as the transducer of the actuator has been routed into a flexible sheath, which, in addition to being easily adaptable to the user's body, increases the actuation bandwidth by reducing the cooling time of the SMA element by 30 %. At its nominal operating regime, the actuator provides an output displacement of 24 mm and generates a force of 64 N. Along with the actuator, a thermomechanical model of its SMA transducer has been developed to simulate its complex behavior. The developed model is a useful tool in the design process of future SMA-based applications, accelerating development ix time and reducing costs. The model shows very few discrepancies with respect to the behavior of a real wire. In addition, the model simulates characteristic phenomena of these alloys such as thermal hysteresis, including internal hysteresis loops and returnpoint memory, the dependence between transformation temperatures and applied force, or the effects of latent heat of transformation on the wire heating and cooling processes. To control the actuator, the use of a non-linear control technique called four-term bilinear proportional-integral-derivative controller (BPID) is proposed. The BPID controller compensates the non-linear behavior of the actuator caused by the thermal hysteresis of the SMA. Compared to the operation of two other implemented controllers, the BPID controller offers a very stable and robust performance, minimizing steady-state errors and without the appearance of limit cycles or other effects associated with the control of these alloys. To demonstrate that the proposed actuator together with the BPID controller are a valid solution for implementing the actuation system of a soft exoskeleton, both developments have been integrated into a real soft hand exoskeleton, designed to provide force assistance to astronauts. In this case, in addition to using the BPID controller to control the position of the actuators, it has been applied to the control of the assistive force provided by the exoskeleton. Through a simple mechanical multiplication mechanism, the actuator generates a linear displacement of 54 mm and a force of 31 N, thus fulfilling the design requirements imposed by the application of the exoskeleton. Regarding the control of the device, the BPID controller is a valid control technique to control both the position and the force of a soft exoskeleton using an actuation system based on the actuator proposed in this thesis.La robótica flexible (soft robotics) ha supuesto un cambio de paradigma en el diseño de robots convencionales; mientras que estos consisten en estructuras monolíticas, hechas de materiales duros y normalmente compuestas de varias articulaciones rígidas, el diseño de los robots flexibles se basa en el uso de materiales deformables como polímeros, fluidos o geles, resultando en un diseño biomimético que replica el comportamiento de los tejidos orgánicos. La introducción de esta filosofía de diseño en el campo de los robots vestibles (wearable robots) ha hecho que estos pasen de ser dispositivos rígidos y pesados a ser algo que podríamos llamar exo-trajes o exo-musculaturas: prendas de vestir motorizadas, ligeras y cómodas. Si se piensa en el robot vestible (exoesqueleto) flexible ideal como una prenda de vestir en la que el sistema de actuación está totalmente integrado en sus tejidos, consideramos que las tecnologías existentes que se utilizan actualmente en el diseño de estos dispositivos no satisfacen plenamente esta premisa. En última instancia, estos sistemas de actuaci on se basan en tecnologías convencionales como los motores de corriente continua o los actuadores neumáticos, que debido a su volumen y peso, hacen imposible una integraci on completa en la estructura del exoesqueleto flexible. El objetivo de esta tesis es, por tanto, el diseño de un actuador que suponga una alternativa a las tecnologias actualmente utilizadas en el campo de los exoesqueletos flexibles, tras haber determinado la necesidad de un actuador para estos dispositivos que sea compacto, flexible y ligero, y que al mismo tiempo sea capaz de producir la fuerza necesaria para mover las extremidades de un usuario humano. Dado que las tecnologías de actuación convencionales no permiten diseñar un actuador de las características necesarias, se ha optado por basar el diseño del actuador propuesto en las llamadas tecnologías de actuación emergentes, en concreto, en las aleaciones con memoria de forma (SMA). El diseño mecánico del actuador está basado en el sistema de transmisión Bowden. El hilo de SMA usado como transductor del actuador se ha introducido en una funda flexible que, además de adaptarse facilmente al cuerpo del usuario, aumenta el ancho de banda de actuación al reducir un 30 % el tiempo de enfriamiento del elemento SMA. En su régimen nominal de operaci on, el actuador proporciona un desplazamiento de salida de 24 mm y genera una fuerza de 64 N. Además del actuador, se ha desarrollado un modelo termomecánico de su transductor SMA que permite simular su complejo comportamiento. El modelo desarrollado es una herramienta útil en el proceso de diseño de futuras aplicaciones basadas en SMA, acelerando el tiempo de desarrollo y reduciendo costes. El modelo muestra muy pocas discrepancias con respecto al comportamiento de un hilo real. Además, es capaz de simular fenómenos característicos de estas aleaciones como la histéresis térmica, incluyendo los bucles internos de histéresis y la memoria de puntos de retorno (return-point memory), la dependencia entre las temperaturas de transformacion y la fuerza aplicada, o los efectos del calor latente de transformación en el calentamiento y el enfriamiento del hilo. Para controlar el actuador, se propone el uso de una t ecnica de control no lineal llamada controlador proporcional-integral-derivativo bilineal de cuatro términos (BPID). El controlador BPID compensa el comportamiento no lineal del actuador causado por la histéresis térmica del SMA. Comparado con el funcionamiento de otros dos controladores implementados, el controlador BPID ofrece un rendimiento muy estable y robusto, minimizando el error de estado estacionario y sin la aparición de ciclos límite u otros efectos asociados al control de estas aleaciones. Para demostrar que el actuador propuesto junto con el controlador BPID son una soluci on válida para implementar el sistema de actuación de un exoesqueleto flexible, se han integrado ambos desarrollos en un exoesqueleto flexible de mano real, diseñado para proporcionar asistencia de fuerza a astronautas. En este caso, además de utilizar el controlador BPID para controlar la posición de los actuadores, se ha aplicado al control de la fuerza proporcionada por el exoesqueleto. Mediante un simple mecanismo de multiplicación mecánica, el actuador genera un desplazamiento lineal de 54 mm y una fuerza de 31 N, cumpliendo así con los requisitos de diseño impuestos por la aplicación del exoesqueleto. Respecto al control del dispositivo, el controlador BPID es una técnica de control válida para controlar tanto la posición como la fuerza de un exoesqueleto flexible que use un sistema de actuación basado en el actuador propuesto en esta tesis.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Fabio Bonsignorio.- Secretario: Concepción Alicia Monje Micharet.- Vocal: Elena García Armad

    Robotic exoskeleton with an assist-as-needed control strategy for gait rehabilitation after stroke

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    Stroke is a loss of brain function caused by a disturbance on the blood supply to the brain. The main consequence of a stroke is a serious long-term disability, and it affects millions of people around the world every year. Motor recovery after stroke is primarily based on physical therapy and the most common rehabilitation method focuses on the task specific approach. Gait is one of the most important daily life activity affected in stroke victims, leading to poor ambulatory activity. Therefore, much effort has been devoted to improve gait rehabilitation. Traditional gait therapy is mostly based on treadmill training, with patient’s body weight partially supported by a harness system. Physical therapists need to manually assist patients in the correct way to move their legs. However, this technique is usually very exhausting for therapists and, as a result, the training duration is limited by the physical conditions of the therapists themselves. Moreover, multiple therapists are required to assist a single patient on both legs, and it is very difficult to coordinate and properly control the body segments of interest. In order to help physical therapists to improve the rehabilitation process, robotic exoskeletons can come into play. Robotics exoskeletons consist of mechatronic structures attached to subject’s limbs in order to assist or enhance movements. These robotic devices have emerged as a promising approach to restore gait and improve motor function of impaired stroke victims, by applying intensive and repetitive training. However, active subject participation during the therapy is paramount to many of the potential recovery pathways and, therefore, it is an important feature of the gait training. To this end, robotics devices should not impose fixed limb trajectories while patient remains passive. These have been the main motivations for the research of this dissertation. The overall aim was to generate the necessary knowledge to design, develop and validate a novel lower limb robotic exoskeleton and an assist-as-needed therapy for gait rehabilitation in post-stroke patients. Research activities were conducted towards the development of the hardware and the control methods required to prove the concept with a clinical evaluation. The first part of the research was dedicated to design and implement a lightweight robotic exoskeleton with a comfortable embodiment to the user. It was envisioned as a completely actuated device in the sagittal plane, capable of providing the necessary torque to move the hip, knee and ankle joints through the walking process. The device, that does not extend above mid-abdomen and requires nothing to be worn over the shoulders or above the lower back, presumably renders more comfort to the user. Furthermore, the robotic exoskeleton is an autonomous device capable of overground walking, aiming to motivate and engage patients by performing gait rehabilitation in a real environment. The second research part was devoted to implement a control approach that assist the patient only when needed. This method creates a force field that guides patient’s limb in a correct trajectory. In this way, the robotic exoskeleton only applies forces when the patient deviates from the trajectory. The force field provides haptic feedback that is processed by the patient, thus leading to a continuous improvement of the motor functions. Finally, research was conducted to evaluate the robotic exoskeleton and its control approach in a clinical study with post-stroke patients. This study aimed to be a proof-of-concept of all design and implementation applied to a real clinical rehabilitation scenario. Several aspects were evaluated: the robotic exoskeleton control performance, patients’ attitudes and motivation towards the use of the device, patients’ safety and tolerance to the intensive robotic training and the impact of the robotic training on the walking function of the patients. Results have shown that the device is safe, easy to use and have positive impact on walking functions. The patients tolerated the walking therapy very well and were motivated by training with the device. These results motivate further research on overground walking therapy for stroke rehabilitation with the robotic exoskeleton. The work presented in this dissertation comprises all the way from the research to implementation and evaluation of a final device. The technology resulting from the work presented here has been transferred to a spin-o↵ company, which is now commercializing the device in different countries as a research tool to be used in clinical studies.Un accidente cerebrovascular es una pérdida de la función cerebral causada por una perturbación en el suministro sanguíneo al cerebro. La principal consecuencia de esta enfermedad es una grave discapacidad a largo plazo, que afecta a millones de personas en todo el mundo a cada año. La recuperación motora después de un accidente cerebrovascular se basa principalmente en la terapia física, y el método de rehabilitación más frecuente se centra en un entrenamiento específico. La marcha es una de las más importantes actividades de la vida diaria afectada por un accidente cerebrovascular, conduciendo a una capacidad ambulatoria deficiente. Debido a eso, mucho esfuerzo se ha dedicado a la rehabilitación de la marcha. La terapia tradicional de la marcha se basa principalmente en el entrenamiento en cinta rodante, con descarga de peso parcial usando un sistema de arnés. Los fisioterapeutas ayudan manualmente a los pacientes a mover sus piernas en la forma correcta. Sin embargo, esta técnica suele ser muy extenuante para los terapeutas, limitando la duración de la terapia por las condiciones físicas de estos. Además, se requieren múltiples terapeutas para asistir a un solo paciente en ambas piernas, siendo muy difícil de coordinar y controlar adecuadamente los segmentos corporales de interés. Con el fin de ayudar a los terapeutas físicos a mejorar el proceso de rehabilitación, los exosqueletos robóticos pueden ser muy útiles. Los exoesqueletos robóticos consisten en estructuras mecatrónicas conectadas a las extremidades del usuario, con el fin de asistir sus movimientos. Estos dispositivos robóticos han surgido como una forma prometedora de restaurar la marcha y mejorar la función motora en víctimas de accidentes cerebrovasculares, aplicando un entrenamiento intensivo y repetitivo. Sin embargo, la participación activa del paciente en la terapia es primordial para muchas de las posibles vías de recuperación y, por lo tanto, es una característica importante del entrenamiento de la marcha. Para este fin, los dispositivos robóticos no deben imponer trayectorias fijas en las extremidades del paciente mientras este permanece pasivo. Estos desafíos en los procesos de rehabilitación han sido la principal motivación para la investigación en esta tesis doctoral. El objetivo principal es generar los conocimientos necesarios para diseñar, desarrollar y validar un exoesqueleto robótico y una terapia de asistencia bajo demanda para la rehabilitación de la marcha en pacientes tras un accidente cerebrovascular. Actividades de investigación fueron llevadas a cabo para el desarrollo del hardware y de los métodos de control necesarios para una prueba de concepto mediante una evaluación clínica. La primera parte de la investigación fue dedicada a diseñar e implementar un exoesqueleto robótico ligero y cómodo para el usuario. Fue concebido un dispositivo completamente actuado en el plano sagital, capaz de proporcionar el par necesario para mover las articulaciones de la cadera, rodilla y tobillo durante la marcha. El dispositivo no se extiende por encima de mitad del abdomen y no requiere llevar nada sobre los hombros o en el tronco, proporcionando más comodidad al usuario. Además, el exoesqueleto robótico es un dispositivo autónomo capaz de asistir marcha ambulatoria, con el objetivo de motivar a los pacientes por medio de rehabilitación en un entorno real. La segunda parte de la investigación fue dedicada a implementar una estrategia de control para ayudar al paciente bajo demanda. El método crea un campo de fuerzas que guía la extremidad del paciente en la trayectoria correcta. De esta manera, el exoesqueleto robótico sólo aplica fuerzas cuando el paciente se desvía de la trayectoria. El campo de fuerza proporciona retroalimentación háptica que es procesada por el paciente, lo que conduce a una mejora continua de las funciones motoras. Por último, fue llevada a cabo una investigación para evaluar el exoesqueleto robótico y su estrategia de control en un estudio clínico con pacientes que han sufrido un accidente cerebrovascular. Este estudio fue una prueba de concepto del diseño y de la implementación del dispositivo aplicada a un escenario de rehabilitación clínica real. Se evaluaron varios aspectos: el desempeño de la estrategia de control, las actitudes y motivación de los pacientes hacia el uso del dispositivo, la seguridad del paciente y su tolerancia a la terapia robótica intensiva y el impacto de la rehabilitación en la marcha de los pacientes. Los resultados han demostrado que el dispositivo es seguro, fácil de usar y tiene un impacto positivo en la marcha. Los pacientes toleraron la terapia robótica muy bien y estuvieron motivados por el entrenamiento con el dispositivo. Estos resultados motivan a seguir la investigación con el exoesqueleto robótico aplicado a la rehabilitación de marcha en pacientes que han sufrido un accidente cerebrovascular. El trabajo presentado en esta tesis doctoral comprende todo el camino desde la investigación hasta la ejecución y evaluación de un dispositivo terminado. La tecnología resultante del trabajo que aquí se presenta ha sido transferida a una empresa spin-off, que ahora está comercializando el dispositivo en diferentes países como una herramienta de investigación para ser utilizada en estudios clínicos.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Luís Enrique Moreno Lorente.-Secretario: Juan Aranda López.-Vocal: Jose María Azorín Poved
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