ROBOTIC INTERACTION AND COOPERATION. Industrial and rehabilitative applications

The main goal of the thesis is the development of human-robotic interaction control strategies, which enable close collaboration between human and robot. In this framework we studied two di erent aspects, with applications respectively in industrial and rehabilitation domains. In the rst part safety issues are examined on a scenario in which a robot manipulator and a human perform the same task and in the same workspace. During the task execution the human should be able to get into contact with the robot and in this case an estimation algorithm of both interaction forces and contact point is proposed in order to guarantee safety conditions. At the same time, all the unintended contacts have to be avoided, and a suitable post collision strategy has been studied to move away the robot from the collision area or to reduce the impact e orts. However, the second part of the thesis focus on the cooperation between an orthesis and a patient. Indeed, in order to support a rehabilitation process, gait parameters, such as hip and knee angles or the beginning of a gait phase, have been estimated. For this purpose a sensor system, consisting of accelerometers and gyroscopes, and algorithms, developed in order to avoid the error accumulation due to the gyroscopes drift and the vibrations related to the beginning of the stance phase due to the accelerometers, have been proposed.The main goal of the thesis is the development of human-robotic interaction control strategies, which enable close collaboration between human and robot. In this framework we studied two di erent aspects, with applications respectively in industrial and rehabilitation domains. In the rst part safety issues are examined on a scenario in which a robot manipulator and a human perform the same task and in the same workspace. During the task execution the human should be able to get into contact with the robot and in this case an estimation algorithm of both interaction forces and contact point is proposed in order to guarantee safety conditions. At the same time, all the unintended contacts have to be avoided, and a suitable post collision strategy has been studied to move away the robot from the collision area or to reduce the impact e orts. However, the second part of the thesis focus on the cooperation between an orthesis and a patient. Indeed, in order to support a rehabilitation process, gait parameters, such as hip and knee angles or the beginning of a gait phase, have been estimated. For this purpose a sensor system, consisting of accelerometers and gyroscopes, and algorithms, developed in order to avoid the error accumulation due to the gyroscopes drift and the vibrations related to the beginning of the stance phase due to the accelerometers, have been proposed

Haptic Transparency and Interaction Force Control for a Lower-Limb Exoskeleton

Controlling the interaction forces between a human and an exoskeleton is crucial for providing transparency or adjusting assistance or resistance levels. However, it is an open problem to control the interaction forces of lower-limb exoskeletons designed for unrestricted overground walking. For these types of exoskeletons, it is challenging to implement force/torque sensors at every contact between the user and the exoskeleton for direct force measurement. Moreover, it is important to compensate for the exoskeleton's whole-body gravitational and dynamical forces, especially for heavy lower-limb exoskeletons. Previous works either simplified the dynamic model by treating the legs as independent double pendulums, or they did not close the loop with interaction force feedback. The proposed whole-exoskeleton closed-loop compensation (WECC) method calculates the interaction torques during the complete gait cycle by using whole-body dynamics and joint torque measurements on a hip-knee exoskeleton. Furthermore, it uses a constrained optimization scheme to track desired interaction torques in a closed loop while considering physical and safety constraints. We evaluated the haptic transparency and dynamic interaction torque tracking of WECC control on three subjects. We also compared the performance of WECC with a controller based on a simplified dynamic model and a passive version of the exoskeleton. The WECC controller results in a consistently low absolute interaction torque error during the whole gait cycle for both zero and nonzero desired interaction torques. In contrast, the simplified controller yields poor performance in tracking desired interaction torques during the stance phase.Comment: 17 pages, 12 figure

Development of an exoskeleton model in a neurorehabilittion perspective

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017A locomoção é uma tarefa de grande importância na vida das pessoas. Ainda que pareça uma tarefa simples, andar é um exercício complexo que envolve controlo nervoso a fim de ativar os músculos e criar um movimento coordenado. Embora exista variabilidade natural nos padrões de marcha de indivíduos saudáveis, é possível definir um padrão “normal”. O mínimo distúrbio a nível neuromuscular que afete a marcha de um individuo resulta na perturbação da qualidade de vida do mesmo, podendo mesmo condicionar a sua independência. Paralisia Cerebral, Esclerose Lateral Amiotrófica e Parkinson são algumas das doenças que podem afetar o padrão normal da marcha. Outra condição que pode desencadear alterações é o Acidente Vascular Cerebral (AVC), de acordo com a com a Organização Mundial de Saúde, cerca de 15 milhões de pessoas em cada ano sofrem um AVC, das quais 50% sofrem alterações da marcha não permanentes. Cada uma das condições mencionadas provoca alterações diferentes à marcha normal permitindo a definição de padrões de marcha de acordo com a condição que os afeta. Por norma, o tratamento mais utilizado para distúrbios da marcha é reabilitação motora que consiste na realização repetida de exercícios que permitem a estimulação dos músculos de forma a que voltem a estar ativos. Ao longo do tempo as técnicas de reabilitação motora foram evoluindo e recentemente a engenharia uniu-se à medicina para originar uma nova área: a Reabilitação Robótica. Esta área faz uso de tecnologias robóticas com o objetivo de proporcionar um tratamento mais personalizado e adequado a cada paciente, beneficiando assim quer o paciente, quer os terapeutas. Embora ainda esteja em crescimento, esta área tem já demonstrado um grande potencial. O Exoesqueleto é um dispositivo robótico que começou por ser usado em fins militares de forma a aumentar a capacidade que cada soldado carrega, é agora bastante utilizado na Reabilitação Robótica. Este dispositivo estimula o paciente a andar e vai apoiando conforme necessário, respondendo ao paradigma ajudar tanto quanto necessário, ou seja, o dispositivo ajuda o paciente a caminhar, dando-lhe apenas o impulso necessário para que este consiga prosseguir, tendo como objetivo final deixar de ser necessário enviar este impulso. Este procedimento é determinado pela estrutura de controlo do exosqueleto que consiste na estratégia que rege e define o comportamento do dispositivo robótico de acordo com a informação que os sensores do mesmo lhe fornecem. Por exemplo, existem controlos de posição, em que o exosqueleto conhece uma trajetória de padrão normal e ajusta a posição do paciente mediante a diferença que deteta entre a posição dita atual e a posição de referência. A estratégia de controlo desempenha também um papel muito importante no âmbito da Reabilitação Robótica, é claro que os pacientes beneficiam de terapias o mais personalizadas possível, no entanto, o desenvolvimento de uma estratégia de controlo é um processo moroso e que envolve recursos. Uma possível solução para esta limitação é a simulação, que consiste na imitação de um processo ou sistema do mundo real em função do tempo, sendo usado para processos de otimização, testes, treinos e engenharia de segurança. Tendo isto em conta, simulação seria uma forma rápida e económica de estudar novas estratégias de controlo ou até otimizar já existentes. O objetivo deste trabalho consistiu em desenvolver um modelo capaz de realizar simulações de um exosqueleto, mais especificamente do exosqueleto H1, desenvolvido ao abrigo do projeto HYPER. Este modelo foi desenvolvido em OpenSim, um simulador de uso livre desenvolvido pelo National Center for Simulation in Rehabilitation Research (NCSRR), Stanford University, USA. Este simulador é usado maioritariamente para projetos na área da biomecânica com especial enfoque para o estudo do comportamento de sistemas músculo-esqueléticos. Primeiramente, foi efetuado um estudo intensivo sobre padrões de marcha, de forma a perceber quais as condições que podem afetar a marcha de um individuo. Este estudo apresenta a definição de alguns padrões de marcha como: (1) Padrão Normal, (2) Padrão Hemiplégico, causado por AVC, (3) Padrão Diplégico, causado por Paralisia Cerebral, (4)Padrão Neuropático, causado por Esclerose Lateral Amiotrófica, (5) Padrão Miotrófico, causado por Distrofia Muscular, (6)Padrão Parkinsoniano, causado pela doença de Parkinson. Além disto, foi realizada uma pesquisa bibliográfica de forma a conhecer o estado da arte das estratégias de controlo usadas na área de Reabilitation Robótica. Conhecer as características de um padrão de marcha, bem como dos controladores existentes é importante na medida em pode ser interessante desenvolver estratégias de controlo de acordo com o padrão de marcha ou pelo menos conhecer que padrões se devem ajustar para uma terapia mais eficaz de acordo com a condição que afeta o paciente. A construção deste modelo iniciou-se no SolidWorks, um software de desenho assistido por computador, onde o sistema foi modelado de acordo com as propriedades físicas do H1, seguindo-se modelação por código em XML. Após a construção, o modelo foi validado. Para efetuar esta validação foram efetuadas provas estáticas e em movimento com o exosqueleto, tendo sido recolhidos os seguintes dados: ângulos e momento de cada articulação. Os momentos recolhidos nestas provas foram depois comparados com os momentos calculados com a ferramenta Inverse Dynamics do OpenSim, que usou como dados de entrada os ângulos de cada articulação. O modelo construído, denominado Exoskeleton, foi depois integrado num novo modelo em conjunto com um modelo já disponível na base de dados OpenSim, o 3DGait2392. A junção destes modelos deu origem ao ExoBody, um modelo que permite estudar a interação entre o dispositivo robótico e o paciente. Apesar de este modelo não ter passado por um processo de validação análogo ao do Exoskeleton, foi usado para um pequeno estudo de marcha onde se comparou a marcha de um individuo saudável com um paciente de AVC com e sem o uso do exosqueleto. Para a realização deste estudo foram utilizados data sets disponíveis online na base de dados OpenSim, estando já preparados para ser usados como dados de entrada das ferramentas Inverse Kinemaitcs e Inverse Dynamics. A Inverse Kynematics é uma ferramente que calcula para cada instante de tempo a posição do modelo que melhor corresponde à posição experimental, sendo esta determinada por marcadores por norma colocados na pele do individuo em estudo. A Inverse Dynamics, por sua vez, determina as forças generalizadas responsáveis por um determinado movimento em cada articulação. Ambos os modelos construídos são capazes de realizar simulações no OpenSim sem gerar erros de sistema e dentro de tempos computacionais considerados normais. Tal como esperado, a comparação entre os dados experimentais e os dados simulados referentes ao modelo Exoskeleton foram concordantes e por isso o modelo foi validado com sucesso. Considerando o ExoBody model, os resultados apresentados evidenciam diferenças entre os padrões de marcha e também é possível verificar diferenças aquando do uso do exosqueleto ou sem o mesmo. Posto isto, é possível concluir que os objetivos deste trabalho foram alcançados com sucesso uma vez que se desenvolveu o modelo que permite a simulação do exosqueleto bem como a sua personalização, adição de componentes como atuadores ou controladores. É importante referir que o modelo Exoskeleton tem algumas limitações, nomeadamente referentes ao design do mesmo que poderá ser melhorado. Partindo deste trabalho, novos desafios podem ser enfrentados na perspetiva de continuar a melhorar e abrir horizontes na Reabilitação Robótica, nomeadamente, seria importante fazer uma validação do ExoBody incluindo um estudo de forças de reação.Locomotion plays a very important role in a person’s life. Although healthy individuals show natural variability in gait patterns, it is possible to define an acceptable pattern for “normal gait”. However, some pathologies as Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), Spinal Cord Injury (SCI), Stroke or others can induce abnormal gait patterns that can limit the life of a person, making him/her dependent of others and consequently reducing his/hers quality of life. Robotics rehabilitation therapies are a growing solution that intends to revert or diminish the impairments in gait. The use of robotic devices, such as exoskeletons, cover some limitations of the traditional therapeutic methods, which is a great benefit for both patients and therapists. Furthermore, the application of an adequate treatment in these patients can be improved with the understanding of how the pathology affects the individual and through the development of specific solutions for each patient. Nowadays, computational dynamic simulations have great potential and help researchers to find optimal and personalized solutions for each patient. Thus, the present work describes the development of an exoskeleton model in a neurorehabilitation perspective. First of all, a detailed description of gait patterns is presented, followed by the state of the art in robotics rehabilitation, considering that this field contains very powerful solutions for gait disorders. The model was developed in OpenSim, an open source software dedicated to model musculoskeletal systems and dynamic simulations of movement. In order to verify the accuracy of the model, experimental data were collected in static and motion trials performed with the wearable robot and afterwards compared with the simulated data resultant from Inverse Dynamics, a tool from OpenSim. The Exoskeleton model was successfully validated and then integrated in a new model, named ExoBody, within a musculoskeletal model. The ExoBody model was used to perform gait analysis comparing simulations with and without the exoskeleton, revealing some differences. Even though the built models present limitations, this work represents a step-forward in human-centered rehabilitation

Systematic Review of Intelligent Algorithms in Gait Analysis and Prediction for Lower Limb Robotic Systems

The rate of development of robotic technologies has been meteoric, as a result of compounded advancements in hardware and software. Amongst these robotic technologies are active exoskeletons and orthoses, used in the assistive and rehabilitative fields. Artificial intelligence techniques are increasingly being utilised in gait analysis and prediction. This review paper systematically explores the current use of intelligent algorithms in gait analysis for robotic control, specifically the control of active lower limb exoskeletons and orthoses. Two databases, IEEE and Scopus, were screened for papers published between 1989 to May 2020. 41 papers met the eligibility criteria and were included in this review. 66.7% of the identified studies used classification models for the classification of gait phases and locomotion modes. Meanwhile, 33.3% implemented regression models for the estimation/prediction of kinematic parameters such as joint angles and trajectories, and kinetic parameters such as moments and torques. Deep learning algorithms have been deployed in ∼15% of the machine learning implementations. Other methodological parameters were reviewed, such as the sensor selection and the sample sizes used for training the models

Design and Development of a Lightweight Ankle Exoskeleton for Human Walking Augmentation

RESUMÉ La plupart des exosquelettes motorisés de la cheville ont une masse distale considérable, ce qui limite leur capacité à réduire l’énergie dépensée par l’utilisateur durant la marche. L’objectif de notre travail est de développer un exosquelette de chevilles avec le minimum de masse distale ajoutée comparé aux exosquelettes motorisés de chevilles existants. Aussi, l’exosquelette doit fournir au moins 50 Nm de support au couple de flexion plantaire. L’exosquelette développé dans le cadre de ce mémoire utilise deux câbles Bowden pour transmettre la force mécanique de l’unité d’actionnement attachée à la taille aux deux tiges en fibre de Carbonne attachées à la botte de l’utilisateur. Quand les deux tiges sont tirées, ils génèrent un couple qui supporte le mouvement de flexion plantaire à la fin de la phase d’appui du cycle de marche. Une pièce conçue sur mesure et imprimé en plastique par prototypage rapide a été attachée au tibia pour ajuster la direction des câbles. Une étude d’optimisation a été effectuée pour minimiser la masse des tiges limitant ainsi la masse distale de l’exosquelette (attaché au tibia et pied) à seulement 348 g. Le résultat principal obtenu à partir des tests de marche est la réduction de l’activité des muscles soléaire et gastrocnémien du sujet par une moyenne de 37% et 44% respectivement lors de la marche avec l’exosquelette comparée à la marche normale. Cette réduction s’est produite quand l’exosquelette a fourni une puissance mécanique de 19 ± 2 W avec un actionnement qui a commencé à 38% du cycle de marche. Ce résultat démontre le potentiel de notre exosquelette à réduire le cout métabolique de marche et souligne l’importance de réduire la masse distale d’un exosquelette de marche.----------ABSTRACT Most of powered ankle exoskeletons add considerable distal mass to the user which limits their capacity to reduce the metabolic energy of walking. The objective of the work presented in this master thesis is to develop an ankle exoskeleton with a minimum added distal mass compared to existing autonomous powered ankle exoskeletons, while providing at least 50 Nm of assistive plantar flexion torque. The exoskeleton developed in this master thesis uses Bowden cables to transmit the mechanical force from the actuation unit attached to the waist to the carbon fiber struts fixed on the boot. As the struts are pulled, they create an assistive ankle plantar flexion torque. A 3D-printed brace was attached to the shin to adjust the direction of the cables. A design optimization study was performed to minimize the mass of the struts, thereby limiting the total added distal mass, attached to the shin and foot, to only 348 g. The main result obtained from walking tests was the reduction of the soleus and gastrocnemius muscles activity by an average of 37% and 44% respectively when walking with the exoskeleton compared to normal walking. This reduction occurred when the exoskeleton delivered a mechanical power of 19 ± 2 W with an actuation onset fixed at 38% of the gait cycle. This result shows the potential of the proposed exoskeleton to reduce the metabolic cost of walking and emphasizes the importance of minimizing the distal mass of ankle exoskeletons

Application of wearable sensors in actuation and control of powered ankle exoskeletons: a Comprehensive Review

Powered ankle exoskeletons (PAEs) are robotic devices developed for gait assistance, rehabilitation, and augmentation. To fulfil their purposes, PAEs vastly rely heavily on their sensor systems. Human–machine interface sensors collect the biomechanical signals from the human user to inform the higher level of the control hierarchy about the user’s locomotion intention and requirement, whereas machine–machine interface sensors monitor the output of the actuation unit to ensure precise tracking of the high-level control commands via the low-level control scheme. The current article aims to provide a comprehensive review of how wearable sensor technology has contributed to the actuation and control of the PAEs developed over the past two decades. The control schemes and actuation principles employed in the reviewed PAEs, as well as their interaction with the integrated sensor systems, are investigated in this review. Further, the role of wearable sensors in overcoming the main challenges in developing fully autonomous portable PAEs is discussed. Finally, a brief discussion on how the recent technology advancements in wearable sensors, including environment—machine interface sensors, could promote the future generation of fully autonomous portable PAEs is provided