Inclusive and seamless control framework for safe robot-mediated therapy for upper limbs rehabilitation

Robot-based rehabilitation requires not only the use of a suitable robot, but also an optimal strategy to guarantee that the interaction forces with the patient fit his or her impairment level. In this work, an inclusive and seamless control framework for upper limb rehabilitation robots is presented and validated. The proposed control framework involves 1) a complete set of training modes (assistive, corrective and resistive) that can be adapted to the needs of the different states of the patient’s recovery, and 2) three different advanced controllers (position, force, impedance) to track safely the force and motion references defined by the aforementioned training modes. In addition, the proposed framework allows one to tune the parameters critical to the safety of the user, such as the maximum interaction forces or the maximum speed of the robot movement. In order to validate the proposed control framework, a set of experiments have been carried out in the Universal Haptic Pantograph (UHP) upperlimb rehabilitation robot. Results show that the proposed control framework for robot-mediated therapy works properly in terms of adaptability, robustness, and safety, which are crucial factors for use with patients.This work was supported in part by the Basque Country Governments (GV/EJ) under grant PRE-2014-1-152, UPV/EHU’s PPG17/56 project, Basque Country Governments IT914-16 project, Spanish Ministry of Economy and Competitiveness’ MINECO & FEDER inside DPI2017- 82694-R project, Euskampus, FIK and Spanish Ministry of Science and Innovation PDI-020100-2009-21 project

Optimal pneumatic actuator positioning and dynamic stability using prescribed performance control with particle swarm optimization: A simulation study

This paper introduces an optimal control strategy for pneumatic servo systems (PSS) positioning using Finite-time Prescribed Performance Control (FT-PPC) with Particle Swarm Optimization (PSO). Pneumatic servo systems are widely used in industrial automation, as well as medical and cybernetics systems that involve robotics applications. Precision in pneumatic control is crucial not only for the sake of efficiency but also safety. The primary goal of the proposed control strategy is to optimize the convergence rate and finite time of the prescribed performance function in error transformation of the FT-PPC, as well as the Proportional, Integral and Derivative (PID) controller as the inner-loop controller for this system. The study utilizes a dynamic model of a pneumatic proportional valve with a double-acting cylinder (PPVDC) as the targeted plant and performs simulations with a multi-step input trajectory. This offline tuning method is essential for such nonlinear systems to be safely optimized, avoiding major damage to the real-time fine-tuned works on the controller. The results demonstrate that the proposed control strategy surpasses the performance of FT-PPC with a PID controller alone, significantly improving the system's performance, including suppressing overshoot and oscillation in the responses. Further validation through the actual system of PPVDC using the fine-tuned values of FT-PPC and PID with PSO is a future task and more challenging to come, as hardware constraints may vary with different environments such as temperatures

Design and validation of a system for controlling a robot for 3D ultrasound scanning of the lower limbs

Peripheral arterial disease (PAD) is a common circulatory problem featured by arterial narrowing or stenosis, usually in the lower limbs (i.e. legs). Without sufficient blood supply, in the case of PAD, the patient may suffer from intermittent claudication, or even require an amputation. Due to the PAD’s high prevalence yet low public awareness in the early stages, its diagnosis becomes very important. Among the most common medical imaging technologies in PAD diagnosis, the ultrasound probe has the advantages of lower cost and non-radiation. Traditional ultrasound scanning is conducted by sonographers and it causes musculoskeletal disorders in the operators. In addition, the data obtained from the manual operation are unable for the three-dimensional reconstruction of the artery needed for further study. Medical ultrasound robots release sonographers from routine lifting strain and provide accurate data for three-dimensional reconstruction. However, most existing medical ultrasound robots are designed for other purposes, and are unsuited to PAD diagnosis in the lower limbs. In this study, we present a novel medical ultrasound robot designed for PAD diagnosis in the lower limbs. The robot platform and the system setup are illustrated. Its forward and inverse kinematic models are solved by decomposing a complex parallel robot into several simple assemblies. Singularity issues and workspace are also discussed. Robots need to meet certain accuracy requirements to perform dedicated tasks. Our robot is calibrated by direct measurement with a laser tracker. The calibration method used is easy to implement without requiring knowledge of advanced calibration or heavy computation. The calibration result shows that, as an early prototype, the robot has noticeable errors in manufacturing and assembling. The implemented calibration method greatly improves the robot's accuracy. A force control design is essential when the robot needs to interact with an object/environment. Variable admittance controllers are implemented to adapt the variable stiffness encountered in human-robot interaction. An intuitive implementation of the passivity theory is proposed to ensure that the admittance model possesses a passivity property. Finally, experiments involving human interaction demonstrate the effectiveness of the proposed control design

Advanced Strategies for Robot Manipulators

Amongst the robotic systems, robot manipulators have proven themselves to be of increasing importance and are widely adopted to substitute for human in repetitive and/or hazardous tasks. Modern manipulators are designed complicatedly and need to do more precise, crucial and critical tasks. So, the simple traditional control methods cannot be efficient, and advanced control strategies with considering special constraints are needed to establish. In spite of the fact that groundbreaking researches have been carried out in this realm until now, there are still many novel aspects which have to be explored

Control avanzado para robótica asistencial y sanitaria

El contenido de los capítulos 3 y 4 están sujetos a confidencialidad. 148 p.En las últimas décadas, observando la necesidad mejorar la calidad de vida de enfermos con movilidad reducida, y los progresos obtenidos gracias a la utilización de los robots en la industria, los dispositivos robóticos han sido propuestos para aplicaciones asistenciales y sanitarias, como la rehabilitación. Los robots de rehabilitación permiten emular los ejercicios de un fisioterapeuta obteniendo tratamientos de mayor precisión y frecuencia. Asimismo, funcionan como una herramienta de medición que permite cuantificar fuerzas y/o movimientos. Y con ayuda de un interfaz gráfico, construyen un entorno de realidad virtual facilitando e incentivando el proceso de rehabilitación.Sin embargo, debido a su reciente introducción al ámbito clínico, muchas de las áreas de la robótica de rehabilitación no han sido estudiadas en profundidad, existiendo varios aspectos a mejorar. Ante esta situación, en esta tesis doctoral se ha planteado indagar en el control de dispositivos robóticos para terapias de rehabilitación.Para lograr este objetivo, la tesis se ha estructurado en tres grandes bloques. En el primero, se ha planteado una metodología de modelado cinemático y dinámico para los dispositivo robóticos de rehabilitación. Esta metodología se ha implementado y validado en el robot de rehabilitación de los miembros superiores UHP (Universal Haptic Pantograph), consiguiendo el modelo del robot necesario para el diseño de controladores avanzadosEn el segundo bloque se ha analizado la problemática de control asociada a los robots de rehabilitación, deduciendo la necesidad de implementar controles avanzados adaptados a los requerimientos particularidades de la robótica de rehabilitación. Con el fin de dar respuesta a estas necesidades, se ha propuesto un algoritmo de control dividido en dos niveles: los de nivel de tarea, que generan una referencia de fuerza o de posición dependiendo del estado de recuperación del paciente y del ejercicio seleccionado; y los de nivel de dispositivo, que siguen a la referencia generada por los de nivel de tarea generando movimientos suaves y seguros. Asimismo, con el fin de simplificar las dificultades introducidas por los sensores, el algoritmo de control diseñado se ha dotado con estimadores que permiten calcular la posición y la fuerza de contacto entre el dispositivo robótico y el usuario.Por último, en el tercer bloque de la tesis se ha diseñado e implementado una plataforma de control y ejecución, que además de permitir la ejecución en tiempo real del algoritmo de control, sirve de puente de comunicación entre el robot de rehabilitación, el usuario y el controlador. Esta plataforma de control y ejecución ha permitido realizar diferentes pruebas experimentales del algoritmo de control propuesto, lo que ha posibilitado validar su funcionamiento en diferentes escenarios

Control avanzado para robótica asistencial y sanitaria

El contenido de los capítulos 3 y 4 están sujetos a confidencialidad. 148 p.En las últimas décadas, observando la necesidad mejorar la calidad de vida de enfermos con movilidad reducida, y los progresos obtenidos gracias a la utilización de los robots en la industria, los dispositivos robóticos han sido propuestos para aplicaciones asistenciales y sanitarias, como la rehabilitación. Los robots de rehabilitación permiten emular los ejercicios de un fisioterapeuta obteniendo tratamientos de mayor precisión y frecuencia. Asimismo, funcionan como una herramienta de medición que permite cuantificar fuerzas y/o movimientos. Y con ayuda de un interfaz gráfico, construyen un entorno de realidad virtual facilitando e incentivando el proceso de rehabilitación.Sin embargo, debido a su reciente introducción al ámbito clínico, muchas de las áreas de la robótica de rehabilitación no han sido estudiadas en profundidad, existiendo varios aspectos a mejorar. Ante esta situación, en esta tesis doctoral se ha planteado indagar en el control de dispositivos robóticos para terapias de rehabilitación.Para lograr este objetivo, la tesis se ha estructurado en tres grandes bloques. En el primero, se ha planteado una metodología de modelado cinemático y dinámico para los dispositivo robóticos de rehabilitación. Esta metodología se ha implementado y validado en el robot de rehabilitación de los miembros superiores UHP (Universal Haptic Pantograph), consiguiendo el modelo del robot necesario para el diseño de controladores avanzadosEn el segundo bloque se ha analizado la problemática de control asociada a los robots de rehabilitación, deduciendo la necesidad de implementar controles avanzados adaptados a los requerimientos particularidades de la robótica de rehabilitación. Con el fin de dar respuesta a estas necesidades, se ha propuesto un algoritmo de control dividido en dos niveles: los de nivel de tarea, que generan una referencia de fuerza o de posición dependiendo del estado de recuperación del paciente y del ejercicio seleccionado; y los de nivel de dispositivo, que siguen a la referencia generada por los de nivel de tarea generando movimientos suaves y seguros. Asimismo, con el fin de simplificar las dificultades introducidas por los sensores, el algoritmo de control diseñado se ha dotado con estimadores que permiten calcular la posición y la fuerza de contacto entre el dispositivo robótico y el usuario.Por último, en el tercer bloque de la tesis se ha diseñado e implementado una plataforma de control y ejecución, que además de permitir la ejecución en tiempo real del algoritmo de control, sirve de puente de comunicación entre el robot de rehabilitación, el usuario y el controlador. Esta plataforma de control y ejecución ha permitido realizar diferentes pruebas experimentales del algoritmo de control propuesto, lo que ha posibilitado validar su funcionamiento en diferentes escenarios

Dynamic modelling of hexarot parallel mechanisms for design and development

In this research, the kinematics, dynamics, and general closed-form dynamic formulation of the centrifugal high-G hexarot-based manipulators have been developed through the different mathematical modeling techniques. The vibrations of the mechanism have also been investigated