Robot-aided neurorehabilitation of the upper extremities

Task-oriented repetitive movements can improve muscle strength and movement co-ordination in patients with impairments due to neurological lesions. The application of robotics and automation technology can serve to assist, enhance, evaluate and document the rehabilitation of movements. The paper provides an overview of existing devices that can support movement therapy of the upper extremities in subjects with neurological pathologies. The devices are critically compared with respect to technical function, clinical applicability, and, if they exist, clinical outcome

Design and Control of Robotic Systems for Lower Limb Stroke Rehabilitation

Lower extremity stroke rehabilitation exhausts considerable health care resources, is labor intensive, and provides mostly qualitative metrics of patient recovery. To overcome these issues, robots can assist patients in physically manipulating their affected limb and measure the output motion. The robots that have been currently designed, however, provide assistance over a limited set of training motions, are not portable for in-home and in-clinic use, have high cost and may not provide sufficient safety or performance. This thesis proposes the idea of incorporating a mobile drive base into lower extremity rehabilitation robots to create a portable, inherently safe system that provides assistance over a wide range of training motions. A set of rehabilitative motion tasks were established and a six-degree-of-freedom (DOF) motion and force-sensing system was designed to meet high-power, large workspace, and affordability requirements. An admittance controller was implemented, and the feasibility of using this portable, low-cost system for movement assistance was shown through tests on a healthy individual. An improved version of the robot was then developed that added torque sensing and known joint elasticity for use in future clinical testing with a flexible-joint impedance controller

An Upper Extremity Exoskeleton Utilizing a Modified Double Parallelogram Linkage Mechanism with Proximally Located Actuators

The shoulder joint is an extremely complex joint, with a wide range of motion (ROM), which makes designing an upper extremity exoskeleton a complicated task. This thesis presents a 3-degree-of-freedom (DOF) exoskeleton with a modified double parallelogram mechanism (DPM) that fits any wearer independent of their biological frame. The DPM is remarkably useful in wearable robotics. The mechanism creates a remote center of rotation about the shoulder joint while remaining unobtrusive and not colliding with the wearer’s body. Its fixed link lengths, however, requires it to be specially fitted to each individual user. This is inconvenient for most exoskeletons that utilize a DPM, since wearers often vary in body shape, size, and build. By connecting the two parallelograms with a mediating link and implementing a sliding-pin joint, the proposed modified DPM allows for a much larger ROM than the original design of the mechanism. This allows it to fit onto almost any anthropometric frame. The exoskeleton provides active assistance during flexion/extension while allowing free abduction/adduction and internal/external rotations. The experimental results demonstrate the proposed design’s ability to provide assistance during a wide range of shoulder motions

Ergonomic Evaluation and Design Process for Healthcare Products: A Case Study of Patient Transfer Design

Department of Human Factors EngineeringInpatient falls are a critical issue in healthcare facilities. Up to 30% of such falls result in injury, which may in turn lead to impaired rehabilitation and co-morbidity in mental and physical health. One of routine activities that poses high risks of falls of patients is a within-facility patient transfer. Within-facility patient transfer is a high-risk task not only for patients but also for care-givers. Care-givers frequently transfer patients from bed to a wheelchair or wheelchair to bed manually, and it can cause musculoskeletal injuries of the care-giver. Various aid devices such as a powered patient lifter have been introduced to improve the safety of patient transfer and to assist care-givers, but they have not been widely used due to their bulky size and slow operation. To overcome such problems, one of medical robot manufacturers in Korea developed the functional prototype of a semi-powered patient lift and transportation device. The device is equipped with a forward leaning seat to allow easy loading and unloading patients without manual lifting. Since the functionality and usability of the prototype has not been evaluated, it was necessary to conduct thorough evaluation both in fields and laboratory and to come up with redesign goals and strategies. Therefore, this study was aimed to evaluate the functionality and usability of the prototype using various ergonomic evaluation approaches and to redesign the prototype based on the results of the evaluation. In the evaluation process, various methods have been used to understand and identify care-givers??? needs, interaction patterns between the prototype and patients, and safety issues when operating the prototype inside and outside patient rooms through user interview and field observation studies at hospitals. To evaluate the biomechanical advantages over traditional manual transfer methods, a human-subject experiment was also conducted with quantitative assessment of muscle activities, foot reaction forces and transfer time. Then, using the findings of the evaluation, redesign ideas have been made and the prototype has been upgraded to reflect the ideas. The upgraded prototype was evaluated again at hospitals to confirm whether the changes improved the functionality and usability of the device. In this paper, detail procedures for the evaluation and redesign are explained, with related problems and challenges. Also, some ideas for improving the evaluation/redesign processes for healthcare products are proposed for future research and development.ope

Active Training and Assistance Device for an Individually Adaptable Strength and Coordination Training

Das Altern der Weltbevölkerung, insbesondere in der westlichen Welt, stellt die Menschheit vor eine große Herausforderung. Zu erwarten sind erhebliche Auswirkungen auf den Gesundheitssektor, der im Hinblick auf eine steigende Anzahl von Menschen mit altersbedingtem körperlichem und kognitivem Abbau und dem damit erhöhten Bedürfnis einer individuellen Versorgung vor einer großen Aufgabe steht. Insbesondere im letzten Jahrhundert wurden viele wissenschaftliche Anstrengungen unternommen, um Ursache und Entwicklung altersbedingter Erkrankungen, ihr Voranschreiten und mögliche Behandlungen, zu verstehen. Die derzeitigen Modelle zeigen, dass der entscheidende Faktor für die Entwicklung solcher Krankheiten der Mangel an sensorischen und motorischen Einflüssen ist, diese wiederum sind das Ergebnis verringerter Mobilität und immer weniger neuer Erfahrungen. Eine Vielzahl von Studien zeigt, dass erhöhte körperliche Aktivität einen positiven Effekt auf den Allgemeinzustand von älteren Erwachsenen mit leichten kognitiven Beeinträchtigungen und den Menschen in deren unmittelbarer Umgebung hat. Diese Arbeit zielt darauf ab, älteren Menschen die Möglichkeit zu bieten, eigenständig und sicher ein individuelles körperliches Training zu absolvieren. In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Forschung im Bereich der robotischen Bewegungsassistenten, auch Smarte Rollatoren genannt, den Fokus auf die sensorische und kognitive Unterstützung für ältere und eingeschränkte Personen gesetzt. Durch zahlreiche Bemühungen entstand eine Vielzahl von Ansätzen zur Mensch-Rollator-Interaktion, alle mit dem Ziel, Bewegung und Navigation innerhalb der Umgebung zu unterstützen. Aber trotz allem sind Trainingsmöglichkeiten zur motorischen Aktivierung mittels Smarter Rollatoren noch nicht erforscht. Im Gegensatz zu manchen Smarten Rollatoren, die den Fokus auf Rehabilitationsmöglichkeiten für eine bereits fortgeschrittene Krankheit setzen, zielt diese Arbeit darauf ab, kognitive Beeinträchtigungen in einem frühen Stadium soweit wie möglich zu verlangsamen, damit die körperliche und mentale Fitness des Nutzers so lang wie möglich aufrechterhalten bleibt. Um die Idee eines solchen Trainings zu überprüfen, wurde ein Prototyp-Gerät namens RoboTrainer-Prototyp entworfen, eine mobile Roboter-Plattform, die mit einem zusätzlichen Kraft-Momente-Sensor und einem Fahrradlenker als Eingabe-Schnittstelle ausgestattet wurde. Das Training beinhaltet vordefinierte Trainingspfade mit Markierungen am Boden, entlang derer der Nutzer das Gerät navigieren soll. Der Prototyp benutzt eine Admittanzgleichung, um seine Geschwindigkeit anhand der Eingabe des Nutzers zu berechnen. Desweiteren leitet das Gerät gezielte Regelungsaktionen bzw. Verhaltensänderungen des Roboters ein, um das Training herausfordernd zu gestalten. Die Pilotstudie, die mit zehn älteren Erwachsenen mit beginnender Demenz durchgeführt wurde, zeigte eine signifikante Steigerung ihrer Interaktionsfähigkeit mit diesem Gerät. Sie bewies ebenfalls den Nutzen von Regelungsaktionen, um die Komplexität des Trainings ständig neu anzupassen. Obwohl diese Studie die Durchführbarkeit des Trainings zeigte, waren Grundfläche und mechanische Stabilität des RoboTrainer-Prototyps suboptimal. Deswegen fokussiert sich der zweite Teil dieser Arbeit darauf, ein neues Gerät zu entwerfen, um die Nachteile des Prototyps zu beheben. Neben einer erhöhten mechanischen Stabilität, ermöglicht der RoboTrainer v2 eine Anpassung seiner Grundfläche. Dieses spezifische Merkmal der Smarten Rollatoren dient vor allem dazu, die Unterstützungsfläche für den Benutzer anzupassen. Das ermöglicht einerseits ein agiles Training mit gesunden Personen und andererseits Rehabilitations-Szenarien bei Menschen, die körperliche Unterstützung benötigen. Der Regelungsansatz für den RoboTrainer v2 erweitert den Admittanzregler des Prototypen durch drei adaptive Strategien. Die erste ist die Anpassung der Sensitivität an die Eingabe des Nutzers, abhängig von der Stabilität des Nutzer-Rollater-Systems, welche Schwankungen verhindert, die dann passieren können, wenn die Hände des Nutzers versteifen. Die zweite Anpassung beinhaltet eine neuartige nicht-lineare, geschwindigkeits-basierende Änderung der Admittanz-Parameter, um die Wendigkeit des Rollators zu erhöhen. Die dritte Anpassung erfolgt vor dem eigentlichen Training in einem Parametrierungsprozess, wo nutzereigene Interaktionskräfte gemessen werden, um individuelle Reglerkonstanten fein abzustimmen und zu berechnen. Die Regelungsaktionen sind Verhaltensänderungen des Gerätes, die als Bausteine für unterstützende und herausfordernde Trainingseinheiten mit dem RoboTrainer dienen. Sie nutzen das virtuelle Kraft-Feld-Konzept, um die Bewegung des Gerätes in der Trainingsumgebung zu beeinflussen. Die Bewegung des RoboTrainers wird in der Gesamtumgebung durch globale oder, in bestimmten Teilbereichen, durch räumliche Aktionen beeinflusst. Die Regelungsaktionen erhalten die Absicht des Nutzers aufrecht, in dem sie eine unabhängige Admittanzdynamik implementieren, um deren Einfluss auf die Geschwindigkeit des RoboTrainers zu berechnen. Dies ermöglicht die entscheidende Trennung von Reglerzuständen, um während des Trainings passive und sichere Interaktionen mit dem Gerät zu erreichen. Die oben genannten Beiträge wurden getrennt ausgewertet und in zwei Studien mit jeweils 22 bzw. 13 jungen, gesunden Erwachsenen untersucht. Diese Studien ermöglichen einen umfassenden Einblick in die Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen Funktionalitäten und deren Einfluss auf die Nutzer. Sie bestätigen den gesamten Ansatz, sowie die gemachten Vermutungen im Hinblick auf die Gestaltung einzelner Teile dieser Arbeit. Die Einzelergebnisse dieser Arbeit resultieren in einem neuartigen Forschungsgerät für physische Mensch-Roboter-Interaktionen während des Trainings mit Erwachsenen. Zukünftige Forschungen mit dem RoboTrainer ebnen den Weg für Smarte Rollatoren als Hilfe für die Gesellschaft im Hinblick auf den bevorstehenden demographischen Wandel