Coupling Disturbance Compensated MIMO Control of Parallel Ankle Rehabilitation Robot Actuated by Pneumatic Muscles

To solve the poor compliance and safety problems in current rehabilitation robots, a novel two-degrees-offreedom (2-DOF) soft ankle rehabilitation robot driven by pneumatic muscles (PMs) is presented, taking advantages of the PM’s inherent compliance and the parallel structure’s high stiffness and payload capacity. However, the PM’s nonlinear, time-varying and hysteresis characteristics, and the coupling interference from parallel structure, as well as the unpredicted disturbance caused by arbitrary human behavior all raise difficulties in achieving high-precision control of the robot. In this paper, a multi-input-multi-output disturbance compensated sliding mode controller (MIMO-DCSMC) is proposed to tackle these problems. The proposed control method can tackle the un-modeled uncertainties and the coupling interference existed in multiple PMs’ synchronous movement, even with the subject’s participation. Experiment results on a healthy subject confirmed that the PMs-actuated ankle rehabilitation robot controlled by the proposed MIMO-DCSMC is able to assist patients to perform high-accuracy rehabilitation tasks by tracking the desired trajectory in a compliant manner

Síntesis de mecanismos con algoritmos evolutivos para aplicaciones médicas

El objeto de la Tesis es la aplicación de técnicas de síntesis de mecanismos al diseño de dispositivos médicos, destinados a mover de forma controlada alguna parte del cuerpo, con el fin de poder fabricar dispositivos personalizados para cada paciente. A lo largo del trabajo se presenta una metodología genérica que puede ser aplicada para el diseño y fabricación de estos dispositivos. Se han realizado tres aplicaciones prácticas de la metodología propuesta. Se ha diseñado un exoesqueleto para la rehabilitación de un dedo de la mano, un exoesqueleto para mover todos los dedos de la mano a excepción del pulgar y un dispositivo de avance mandibular para el tratamiento de la apnea del sueño. La personalización de los exoesqueletos permite simplificarlos y abaratarlos, mientras que la personalización de los dispositivos para el tratamiento de la apnea del sueño teniendo en cuenta el comportamiento cinemático de la mandíbula del paciente, aumenta la efectividad del tratamiento. El diseño de los dispositivos empieza con un estudio cinemático de la parte del cuerpo afectada para poder desarrollar un modelo cinemático de la misma y definir los datos necesarios para resolver el problema. Se le da especial relevancia al hecho de que los datos sean sencillos de obtener. En general, la mejor opción es poder medir las distancias y ángulos necesarios en una radiografía o un escáner. En el caso de los exoesqueletos, es necesario realizar además un vídeo del movimiento del paciente para medir, en distintos fotogramas, las posiciones deseadas a lo largo de un ciclo. Una vez desarrollado el modelo cinemático, el siguiente paso es definir un problema de optimización. La solución de este problema será un sistema mecánico adaptado a las características del paciente. Para su resolución se utiliza el algoritmo evolutivo MUMSA, cuyo funcionamiento se explica en la Tesis

Diseño y fabricación de un dispositivo intraoral para el tratamiento de los trastornos respiratorios del sueño

Este conjunto de datos es procesado por un algoritmo desarrollado en la presente tesis que permite generar el perfil de la leva en el dispositivo propuesto, el cual provoca mediante un mecanismo de leva y seguidor un movimiento de apertura con avance protrusivo controlado. Siendo el avance protrusivo el factor determinante para mantener la vía aérea abierta. Una de las novedades más importantes de este trabajo es que la obtención del perfil de la leva es diferente para cada paciente y depende de la morfología mandibular del mismo. El mecanismo mencionado anteriormente es incorporado mediante un diseño paramétrico utilizando programas de diseño asistido por ordenador y que permite adaptar el aparato a la boca de cada paciente. El diseño propuesto es estudiado y analizado con el objetivo de seleccionar el sistema de fabricación más fiable y seguro para la utilización del dispositivo de forma continua durante las noches. Se analiza las peculiaridades de cada sistema de impresión 3D y se valida el proceso de diseño y fabricación implementado. Además, se estudia el comportamiento del dispositivo propuesto mediante un estudio clínico en pacientes reales en el que se obtiene un aumento de la efectividad del tratamiento respecto a los dispositivos actuales del mercado. Por último, el sistema de fabricación seleccionado es implementado dentro de la estructura del laboratorio de prótesis dentales Ortoplus, cuya sede se encuentra afincada en Málaga. Esto junto con los recursos de distribución permite la comercialización del dispositivo.El síndrome de la apnea-hipopnea del sueño es un trastorno que interrumpe el patrón de sueño de los sujetos que lo padecen, lo que provoca el agravamiento de otros problemas de salud como pueden ser las enfermedades cardiovasculares, el cáncer, etc. Este síndrome se caracteriza por paradas repetitivas del flujo aéreo durante del sueño. Estas paradas son ocasionadas por el colapso de los tejidos blandos de la lengua, que obstruyen las vías aéreas e impiden la respiración del paciente. Los principales tratamientos para la apnea-hipopnea del sueño son los aparatos de presión positiva continua, los dispositivos de avance mandibular y las intervenciones quirúrgicas. El objetivo de la presente tesis es desarrollar un dispositivo de avance mandibular para el tratamiento del síndrome de la apnea-hipopnea del sueño y el ronquido, personalizado según la biomecánica mandibular de cada paciente. Los dispositivos que actualmente se utilizan se realizan mediante componentes estándares sin tener en cuenta el efecto sobre la evolución de la enfermedad cuando el paciente duerme. A lo largo de este trabajo se presenta la metodología y los pasos necesarios para obtener un dispositivo de avance mandibular adaptado a cada paciente. El diseño del dispositivo comienza con los datos de entrada que son necesarios para la personalización del mismo. Hay tres tipos de datos necesarios para conseguir la personalización. En primer lugar, es necesario extraer la morfología cráneo-mandibular del paciente, que se puede realizar a partir de una radiografía o un tac. El uso de uno u otro método depende del grado de exactitud buscado. En segundo lugar, se registra o genera la información relativa a los límites de los movimientos de la mandíbula de cada paciente. Esto se consigue a partir de las medidas de protrusión, retrusión y apertura. Por último, se requiere la información necesaria para configurar el dispositivo en cuanto a su diseño o funcionalidad