Tele-rehabilitation versus local rehabilitation therapies assisted by robotic devices: a pilot study with patients

The present study aims to evaluate the advantages of a master-slave robotic rehabilitation therapy in which the patient is assisted in real-time by a therapist. We have also explored if this type of strategy is applicable in a tele-rehabilitation environment. A pilot study has been carried out involving 10 patients who have performed a point-to-point rehabilitation exercise supported by three assistance modalities: fixed assistance (without therapist interaction), local therapist assistance, and remote therapist assistance in a simulated tele-rehabiliation scenario. The rehabilitation exercise will be performed using an upper-limb rehabilitation robotic device that assists the patients through force fields. The results suggest that the assistance provided by the therapist is better adapted to patient needs than fixed assistance mode. Therefore, it maximizes the patient's level of effort, which is an important aspect to improve the rehabilitation outcomes. We have also seen that in a tele-rehabilitation environment it is more difficult to assess when to assist the patient than locally. However, the assistance suits patients better than the fixed assistance mode

Métodos de renderizado multisensorial y análisis de estabilidad en interfaces hápticos

El desarrollo de la tecnología háptica está permitiendo que los sistemas de Realidad Virtual se implanten como herramientas de enseñanza y trabajo en múltiples campos como la cirugía o la aeronáutica. Sin embargo, se trata de una tecnología que todavía se encuentra en sus inicios, y que como tal, tiene mucho camino por recorrer. Los interfaces hápticos permiten a los usuarios interactuar con entornos remotos o virtuales a través del sentido del tacto. Un dispositivo háptico es un mecanismo mediante el que un usuario puede controlar los movimientos de un objeto virtual o un robot real en una aplicación, y recibir información táctil del entorno de trabajo. El uso de estos sistemas viene condicionado por la calidad de la restitución háptica aplicada al usuario. Tecnológicamente, resulta todavía complicada la generación de estímulos táctiles adecuados y realistas mediante estos sistemas. La presente tesis investiga y aporta soluciones en tres áreas primordiales de la háptica: el cálculo de las fuerzas y pares de contacto, la percepción multisensorial de los eventos, y la estabilidad del sistema. Calcular en tiempo real las fuerzas y pares que deben restituirse al usuario como consecuencia de sus acciones en una aplicación virtual es una tarea complicada y esencial para la eficacia de estos sistemas. Este trabajo desarrolla unos algoritmos de control que permiten calcular dichas fuerzas y pares de manera eficaz en entornos complejos. Además, se analiza la eficacia de combinar los distintos canales sensoriales disponibles en el sistema para mejorar la percepción de los eventos. Una característica que distingue a los sistemas hápticos de otros sistemas máquina-usuario es que el usuario comparte espacio de trabajo con el mecanismo. Este hecho implica que comportamientos inestables del sistema puedan poner en peligro al usuario. Por ello, en este trabajo se evalúa la influencia de diversos factores, en particular los modos de vibración y la dinámica del usuario, en la estabilidad

Haptically-Coupled Devices: Stability Analysis and Application to Drive-by-Wire Systems.

Haptic devices allow users to interact with a certain environment through the sense of touch. This environment is usually either a virtual scene or a somehow remote environment. In one sentence, a haptic device is a mechatronic system that allows a bidirectional human-machine interaction and in which a tactile restoration is provided. Haptic technology is still in its early stages of development, according to the vast amount of possibilities that it offers or may offer in the future. Possible applications of this technology include smartphones, automotive industry, aeronautics or medical applications (surgery or rehabilitation processes). This thesis investigates and provides solutions in two haptic areas: haptic stability and drive-by-wire technology. On the one hand, a study of some of the factors that affect the Z-width of the system is carried out. On the other hand, haptic technology is applied to a real application with a promising future in the automotive field: a drive-by-wire system. One key aspect of haptic systems is that both, the user and the mechatronic device share the same workspace. This fact carries with it more restrictive stability criteria than common robotic applications in which the machine is usually isolated in a safe space. For this reason, the study of the stability is a very important task. In the first place, a methodology for a thorough theoretical study of any haptic device is proposed, together with an application that was developed to make this process easier and more intuitive. Afterwards, the influence of two of the factors (vibration modes and time delay) that affect the size and shape of the Z-width of the haptic system is analyzed. Drive-by-wire technology has already been used for many decades in the aeronautics sector, but its application to road vehicles progresses at a much slower pace. Different attempts have been made by manufacturers to equip their vehicles with this system but the final establishment of this technology is expected to arrive with the electric cars. It provides multiple advantages in terms of weight, material costs and safety measures. The second part of this thesis focuses on a haptic device designed in CEIT for drive-by-wire applications. This system encompasses all the driving functionalities in a single device, which can be used with a single hand. A second version of this driving system has been created, combining two of these devices with a virtual coupling for a more comfortable and secure driving. Both versions have been preliminarily tested with users, obtaining some surprising results in terms of user adaptation time.Los dispositivos hápticos permiten al usuario interactuar con un entorno concreto por medio del sentido del tacto. Este entorno puede ser una escena virtual o incluso un entorno remoto. En una frase, un dispositivo háptico es un sistema mecatrónico que permite una interacción bidireccional entre el humano y la máquina y en el que se produce una restitución de fuerza al usuario. La tenconología háptica está todavía en sus primeros niveles de desarrollo si nos fijamos en la enorme cantidad de posibilidades que actualmente ofrece y que puede ofrecer en un futuro próximo. Posibles aplicaciones de esta tecnología son los smartphones, las industrias del automóvil y aeronáuticas y aplicaciones médicas como la cirugía o la rehabilitación de pacientes. La presente tesis investiga y proporciona soluciones en dos áreas distintas de la háptica: el problema de la estabilidad y la tecnología drive-by-wire. Por un lado, se ha llevado a cabo un estudio de algunos de los factores que afectan a la región-Z del sistema. Por otra parte, se ha aplicado la tecnología háptica a una aplicación real muy prometedora en el ámbito de la automoción: los sistemas drive-by-wire. Un aspecto clave de los sistemas hápticos es que el usuario y el dispositivo mecatrónico están en el mismo espacio de trabajo. Este hecho conlleva a unos requisitos de estabilidad más restrictivos que otras aplicaciones robóticas más comunes en las que las máquinas están aisladas en un espacio restringido. Por esta razón, el estudio de la estabilidad adquiere una importancia especial. En primer lugar se propone una metodología para el estudio teórico de cualquier dispositivo háptico, así como una herramienta que ha sido desarrollada para facilitar y hacer más intuitivo este proceso. Posteriormente se ha estudiado la influencia de dos de los factores que afectan al tamaño y a la forma de la región-Z, los modos de vibración del interfaz y los retrasos temporales. La tecnología drive-by-wire se lleva usando durante décadas en el sector aeronáutico pero su aplicación a los vehículos terrestres lleva un ritmo mucho menor. Se han llevado a cabo distintos intentos por parte de los fabricantes para equipar a los vehículos con esta tecnología pero se espera que el establecimiento definitivo de esos sistemas llegue con los vehículos eléctricos. Las ventajas que que aportan estos sistemas en términos de peso, coste de los materiales y sistemas de seguridad son cuantiosas. La segunda parte de esta tesis se enfoca en un dispositivo háptico desarrollado en el CEIT para aplicaciones drive-by-wire. Este dispositivo junta en un único aparato que puede ser manejado con una sola mano todas las funciones necesarias para la conducción de un vehículo. Una segunda versión de este sistema de conducción ha sido desarrollado combinando dos de estos dispositivos mediante un acoplamiento virtual para una conducción más cómoda y segura. Por último, se han realizado una serie de experimentos con usuarios para una validación preliminar de ambos sistemas

Métodos de renderizado multisensorial y análisis de estabilidad en interfaces hápticos

El desarrollo de la tecnología háptica está permitiendo que los sistemas de Realidad Virtual se implanten como herramientas de enseñanza y trabajo en múltiples campos como la cirugía o la aeronáutica. Sin embargo, se trata de una tecnología que todavía se encuentra en sus inicios, y que como tal, tiene mucho camino por recorrer. Los interfaces hápticos permiten a los usuarios interactuar con entornos remotos o virtuales a través del sentido del tacto. Un dispositivo háptico es un mecanismo mediante el que un usuario puede controlar los movimientos de un objeto virtual o un robot real en una aplicación, y recibir información táctil del entorno de trabajo. El uso de estos sistemas viene condicionado por la calidad de la restitución háptica aplicada al usuario. Tecnológicamente, resulta todavía complicada la generación de estímulos táctiles adecuados y realistas mediante estos sistemas. La presente tesis investiga y aporta soluciones en tres áreas primordiales de la háptica: el cálculo de las fuerzas y pares de contacto, la percepción multisensorial de los eventos, y la estabilidad del sistema. Calcular en tiempo real las fuerzas y pares que deben restituirse al usuario como consecuencia de sus acciones en una aplicación virtual es una tarea complicada y esencial para la eficacia de estos sistemas. Este trabajo desarrolla unos algoritmos de control que permiten calcular dichas fuerzas y pares de manera eficaz en entornos complejos. Además, se analiza la eficacia de combinar los distintos canales sensoriales disponibles en el sistema para mejorar la percepción de los eventos. Una característica que distingue a los sistemas hápticos de otros sistemas máquina-usuario es que el usuario comparte espacio de trabajo con el mecanismo. Este hecho implica que comportamientos inestables del sistema puedan poner en peligro al usuario. Por ello, en este trabajo se evalúa la influencia de diversos factores, en particular los modos de vibración y la dinámica del usuario, en la estabilidad

Haptically-Coupled Devices: Stability Analysis and Application to Drive-by-Wire Systems.

Haptic devices allow users to interact with a certain environment through the sense of touch. This environment is usually either a virtual scene or a somehow remote environment. In one sentence, a haptic device is a mechatronic system that allows a bidirectional human-machine interaction and in which a tactile restoration is provided. Haptic technology is still in its early stages of development, according to the vast amount of possibilities that it offers or may offer in the future. Possible applications of this technology include smartphones, automotive industry, aeronautics or medical applications (surgery or rehabilitation processes). This thesis investigates and provides solutions in two haptic areas: haptic stability and drive-by-wire technology. On the one hand, a study of some of the factors that affect the Z-width of the system is carried out. On the other hand, haptic technology is applied to a real application with a promising future in the automotive field: a drive-by-wire system. One key aspect of haptic systems is that both, the user and the mechatronic device share the same workspace. This fact carries with it more restrictive stability criteria than common robotic applications in which the machine is usually isolated in a safe space. For this reason, the study of the stability is a very important task. In the first place, a methodology for a thorough theoretical study of any haptic device is proposed, together with an application that was developed to make this process easier and more intuitive. Afterwards, the influence of two of the factors (vibration modes and time delay) that affect the size and shape of the Z-width of the haptic system is analyzed. Drive-by-wire technology has already been used for many decades in the aeronautics sector, but its application to road vehicles progresses at a much slower pace. Different attempts have been made by manufacturers to equip their vehicles with this system but the final establishment of this technology is expected to arrive with the electric cars. It provides multiple advantages in terms of weight, material costs and safety measures. The second part of this thesis focuses on a haptic device designed in CEIT for drive-by-wire applications. This system encompasses all the driving functionalities in a single device, which can be used with a single hand. A second version of this driving system has been created, combining two of these devices with a virtual coupling for a more comfortable and secure driving. Both versions have been preliminarily tested with users, obtaining some surprising results in terms of user adaptation time.Los dispositivos hápticos permiten al usuario interactuar con un entorno concreto por medio del sentido del tacto. Este entorno puede ser una escena virtual o incluso un entorno remoto. En una frase, un dispositivo háptico es un sistema mecatrónico que permite una interacción bidireccional entre el humano y la máquina y en el que se produce una restitución de fuerza al usuario. La tenconología háptica está todavía en sus primeros niveles de desarrollo si nos fijamos en la enorme cantidad de posibilidades que actualmente ofrece y que puede ofrecer en un futuro próximo. Posibles aplicaciones de esta tecnología son los smartphones, las industrias del automóvil y aeronáuticas y aplicaciones médicas como la cirugía o la rehabilitación de pacientes. La presente tesis investiga y proporciona soluciones en dos áreas distintas de la háptica: el problema de la estabilidad y la tecnología drive-by-wire. Por un lado, se ha llevado a cabo un estudio de algunos de los factores que afectan a la región-Z del sistema. Por otra parte, se ha aplicado la tecnología háptica a una aplicación real muy prometedora en el ámbito de la automoción: los sistemas drive-by-wire. Un aspecto clave de los sistemas hápticos es que el usuario y el dispositivo mecatrónico están en el mismo espacio de trabajo. Este hecho conlleva a unos requisitos de estabilidad más restrictivos que otras aplicaciones robóticas más comunes en las que las máquinas están aisladas en un espacio restringido. Por esta razón, el estudio de la estabilidad adquiere una importancia especial. En primer lugar se propone una metodología para el estudio teórico de cualquier dispositivo háptico, así como una herramienta que ha sido desarrollada para facilitar y hacer más intuitivo este proceso. Posteriormente se ha estudiado la influencia de dos de los factores que afectan al tamaño y a la forma de la región-Z, los modos de vibración del interfaz y los retrasos temporales. La tecnología drive-by-wire se lleva usando durante décadas en el sector aeronáutico pero su aplicación a los vehículos terrestres lleva un ritmo mucho menor. Se han llevado a cabo distintos intentos por parte de los fabricantes para equipar a los vehículos con esta tecnología pero se espera que el establecimiento definitivo de esos sistemas llegue con los vehículos eléctricos. Las ventajas que que aportan estos sistemas en términos de peso, coste de los materiales y sistemas de seguridad son cuantiosas. La segunda parte de esta tesis se enfoca en un dispositivo háptico desarrollado en el CEIT para aplicaciones drive-by-wire. Este dispositivo junta en un único aparato que puede ser manejado con una sola mano todas las funciones necesarias para la conducción de un vehículo. Una segunda versión de este sistema de conducción ha sido desarrollado combinando dos de estos dispositivos mediante un acoplamiento virtual para una conducción más cómoda y segura. Por último, se han realizado una serie de experimentos con usuarios para una validación preliminar de ambos sistemas

Lower-limb robotic rehabilitation. Literature review and challenges

This paper presents a survey of existing robotic systems for lower-limb rehabilitation. It is a general assumption that robotics will play an important role in therapy activities within rehabilitation treatment. In the last decade, the interest in the field has grown exponentially mainly due to the initial success of the early systems and the growing demand caused by increasing numbers of stroke patients and their associate rehabilitation costs. As a result, robot therapy systems have been developed worldwide for training of both the upper and lower extremities. This work reviews all current robotic systems to date for lower-limb rehabilitation, as well as main clinical tests performed with them, with the aim of showing a clear starting point in the field. It also remarks some challenges that current systems still have to meet in order to obtain a broad clinical and market acceptance