Design of a wearable active ankle-foot orthosis for both sides

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Biomateriais, Reabilitação e Biomecânica)Portugal is the west European country with the highest rate of stroke-related mortality, being that, of those who suffer cerebrovascular accidents, 40% feature an impairment which can manifest itself through motor sequelae, namely drop foot. An ankle-foot orthosis is often recommended to passively accommodate these motor problems; however, active/powered exoskeletons are also a suitable solution for post-stroke patients. Due to the high complexity of the human ankle joint, one of the problems regarding these active devices is the misalignment occurring between the rehabilitation device and the human joint, which is a cause of parasitic forces, discomfort, and pain. The present master dissertation proposes the development of an adjustable wearable active ankle-foot orthosis that is able to tackle this misalignment issue concerning commercially available lower limb orthotic devices. This work is integrated on the SmartOs – Smart, Stand-alone Active Orthotic System – project that proposes an innovative robotic technology (a wearable mobile lab) oriented to gait rehabilitation. The conceptual design of a standard version of the SmartOs wearable active orthosis was initiated with the analysis of another ankle-foot orthosis – Exo-H2 (Technaid) – from which the necessary design changes were implemented, aiming at the improvement of the established device. In order to achieve a conceptual solution, both the practical knowledge of the Orthos XXI design team and several design methods were used to ensure the accomplishment of the defined requirements. The detailed design process of the standard SmartOs wearable active orthosis prototype is disclosed. With the purpose of validating the design, the critical components were simulated with the resources available in SolidWorks®, and the necessary CAD model’s adaptations were implemented to guarantee a reliable and safe design. The presented design is currently set for further production in Orthos XXI, followed by the mandatory mechanical tests.Portugal é o país da Europa ocidental com maior taxa de mortalidade por acidente vascular cerebral (AVC), sendo que, dos que sofrem acidentes vasculares cerebrais, 40% apresentam uma deficiência que pode manifestar-se por sequelas motoras, nomeadamente o pé pendente. Uma ortótese do tornozelo é recomendada frequentemente para acomodar passivamente esses problemas motores; no entanto, exoesqueletos ativos são também uma solução adequada para pacientes pós-AVC. Devido à alta complexidade da articulação do tornozelo humano, um dos problemas associados a esses dispositivos ativos é o desalinhamento que ocorre entre o dispositivo de reabilitação e a articulação humana, que é uma causa de forças parasitas, desconforto e dor. A presente dissertação de mestrado propõe o desenvolvimento de uma ortótese ativa do tornozelo ajustável e vestível, que seja capaz de resolver esse problema de desalinhamento relativo aos dispositivos ortóticos de membros inferiores disponíveis comercialmente. Este trabalho está integrado no projeto SmartOs - Smart, Stand-alone Active Orthotic System - projeto que propõe uma tecnologia robótica inovadora (wearable mobile lab) direcionada para a reabilitação da marcha. O projeto conceptual de uma versão padrão da ortótese ativa vestível do projeto SmartOs foi iniciado com a análise de outra ortótese do tornozelo – Exo-H2 (Technaid) - a partir da qual foram implementadas as alterações de projeto necessárias, visando o aprimoramento do dispositivo estabelecido. Para se chegar a uma solução conceptual, tanto o conhecimento prático da equipa de projeto da Orthos XXI como os diversos métodos de projeto foram utilizados para garantir o cumprimento dos requisitos definidos. O processo do desenho detalhado da versão padrão da ortótese ativa SmartOs será também divulgado. Com o objetivo de validar o projeto, os componentes críticos foram simulados com os recursos disponíveis no SolidWorks® e as adaptações necessárias do modelo CAD foram implementadas para garantir um projeto fidedigno e seguro. O projeto apresentado está atualmente em preparação para produção na empresa Orthos XXI, depois do qual se seguem os ensaios mecânicos obrigatórios