Development and testing safe fall strategies for lower limbs exoskeletons

Loss of mobility is among the most impactful consequences of sustaining a spinal cord injury. Wheelchairs provide a considerable degree of mobility to their users, but are not without their drawbacks, most of which are caused by requiring prolonged periods of time in the sitting position. Recently, the field of lower limb exoskeletons has seen considerable developments, and the use of external power technologies has made it possible for users to walk for longer periods of time. However, current exoskeletons do not ensure balance during standing and walking conditions, which leaves their users vulnerable to situations of instability and falls. The goal of this thesis was to investigate safe fall strategies to reduce the severity of the impact in case of a loss of balance with a lower limb exoskeleton. The backwards fall scenario is examined, and a fall strategy is implemented in a simulation environment, using a combination of center of mass and hip joint angle reference signals. The results verified the model’s ability to execute the proposed strategy by following the reference signals, and the strategy was shown to result in safer falls. Further work should be conducted to test this strategy in real-life human-exoskeleton fall scenarios, and to develop strategies for other fall scenarios.Perda de mobilidade é das consequências com maior impacto na vida de quem sofre uma lesão da medula espinhal. Cadeiras de rodas providenciam um nível considerável de mobilidade aos seus utilizadores, mas trazem os seus próprios problemas, sendo que a maioria dos quais são resultantes da necessidade dos seus utilizadores permanecerem sentados durante longos períodos de tempo. Mais recentemente, a área dos exosqueletos para membros inferiores tem visto desenvolvimento notável, e o uso de fontes de energia externas tem permitido que os seus utilizadores se desloquem a pé durante intervalos de tempo maiores. Contudo, estas tecnologias ainda não garantem equilíbrio constante dos seus utilizadores durante a marcha ou em pé, o que faz com que estes estejam vulneráveis a situações de instabilidade e quedas. Esta tese teve como objetivo investigar estratégias de queda segura para reduzir a severidade do impacto em caso de uma perda de equilíbrio utilizando um exosqueleto para membros inferiores. É examinado o cenário de uma queda para trás, e é implementada uma estratégia de queda num ambiente de simulação, recorrendo a uma combinação de sinais de referência de centro de massa e ângulo da articulação da anca. Os resultados verificaram a capacidade do modelo utilizado executar a estratégia proposta ao seguir os sinais de referência, e a estratégia mostrou resultar em quedas mais seguras. No futuro, a estratégia deve ser testada em cenários reais de quedas de um exosqueleto e o seu utilizador, e devem ser desenvolvidas estratégias para os restantes cenários de queda