Kinematic and dynamic modeling and validation of an assistive robotic device for knee rehabilitation

La articulación de la rodilla está frecuentemente expuesta a lesiones en personas de todas las edades. En todos los casos, la terapia física se prescribe para recuperar la fuerza y la movilidad de un paciente. Los dispositivos de asistencia robótica están ganando la atención de la comunidad y apuntan a mejorar la calidad de vida de los pacientes. En este artículo, se propone el diseño mecánico de un dispositivo de rehabilitación de rodilla de enlace de 5 barras basado en la definición de los parámetros físicos de la población colombiana y/o latinoamericana, de acuerdo a los datos de antropometría. Se obtiene el modelo dinámico completo del sistema de rehabilitación propuesto y se realizan las comparaciones respectivas de movimiento con el prototipo real para desarrollar y evaluar estrategias de control apropiadas en trabajos futuros. Para este propósito, se presenta la formulación cinemática del dispositivo y luego se deriva la dinámica utilizando dos enfoques para validar el modelo; se obtiene la ecuación de movimiento utilizando la aproximación de Lagrange y un método algebraico que simplifica el modelado. Ambas aproximaciones producen un modelo único, que se valida en simulación y en ensayos experimentales, mostrando la funcionalidad del sistema y la validez de los modelos cuando se realizan rutinas de rehabilitación.The knee joint is frequently exposed to injuries in people of all ages. In all cases, physical therapy is prescribed to recover the strength and mobility of a patient. The robotic assistance devices are gaining the community attention and aim to improve the quality of life of patients. In this article, we propose the mechanical design of a 5-bar-linkage knee rehabilitation device based on the definition of the physical parameters of Colombian and/or Latin-American population, according to anthropomorphic data. We obtain the complete dynamic model of the proposed rehabilitation system and perform the respective comparisons of movement with the real prototype in order to develop and evaluate appropriate control strategies in future work. For this purpose, we present the kinematic formulation of the device and then we derive the dynamics using two approaches to validate the model; we obtain the motion equation using the Lagrange approach and an algebraic method that simplifies modeling. Both approaches yield a unique model, which is validated either in simulation and by experimental trials, showing the functionality of the system and the validity of the models when performing rehabilitation routines.Pregrad

Kinematic and dynamic modeling of a 5-bar assistive device for knee rehabilitation

Las lesiones de rodilla son frecuentes en personas de todas las edades. En todos los casos, la terapia física se prescribe para recuperar la fuerza y el rango de movimiento. Los dispositivos de asistencia robóticos están ganando la atención de la comunidad y tienen como objetivo mejorar la calidad de vida de los pacientes. En este artículo, proponemos un dispositivo de rehabilitación de rodilla de 5 barras de articulación. Estamos interesados en obtener el modelo dinámico completo del sistema de rehabilitación propuesto, con el fin de desarrollar y evaluar estrategias de control adecuadas en el trabajo futuro. Con este propósito, presentamos la formulación cinemática del dispositivo y luego, derivamos la dinámica utilizando dos enfoques, con el fin de validar el modelo; es decir, obtenemos la ecuación de movimiento utilizando el enfoque de Lagrange y un método algebraico que simplifica el modelado. Estos modelos se simulan y comparan con el comportamiento físico del sistema, mostrando la funcionalidad del sistema y la validez de los modelos cuando se realiza una rutina de rehabilitación.Knee injuries are frequent in people of all ages. In all cases, physical therapy is prescribed to recover strength, and range of motion. Robotic assistive devices are gaining the attention of the community and aim to improve the patients’ quality of life. In this paper, we propose a 5-bars-linkage knee rehabilitation device. We are interested in obtaining the complete dynamic model of the proposed rehabilitation system, in order to develop and evaluate adequate control strategies in future work. With this purpose, we present the kinematics formulation of the device and then, we derive the dynamics using two approaches, in order to validate the model; i.e. we obtain the motion equation using Lagrange approach and an algebraic method which simplifies the modeling. These models are simulated and compared with the physical behavior of the system, showing the functionality of the system and the validity of the models when performing a rehabilitation routine.Pregrad

MOSAR: A Soft-Assistive Mobilizer for Upper Limb Active Use and Rehabilitation

In this study, a soft assisted mobilizer called MOSAR from (Mobilizador Suave de Asistencia y Rehabilitación) for upper limb rehabilitation was developed for a 11 years old child with right paretic side. The mobilizer provides a new therapeutic approach to augment his upper limb active use and rehabilitation, by means of exerting elbow (flexion-extension), forearm (pronation-supination) and (flexion-extension along with ulnar-radial deviations) at the wrist. Preliminarily, the design concept of the soft mobilizer was developed through Reverse Engineering of his upper limb: first casting model, silicone model, and later computational model were obtained by 3D scan, which was the parameterized reference for MOSAR development. Then, the manufacture of fabric inflatable soft actuators for driving the MOSAR system were carried out. Lastly, a law close loop control for the inflation-deflation process was implemented to validate FISAs performance. The results demonstrated the feasibility and effectiveness of the FISAs for being a functional tool for upper limb rehabilitation protocols by achieving those previous target motions similar to the range of motion (ROM) of a healthy person or being used in other applications