Made available in DSpace on 2014-12-17T14:55:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MarcioVA_DISSERT.pdf: 2832017 bytes, checksum: fe95d978cb72207522962898bfdc3771 (MD5) Previous issue date: 2010-02-26 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / This work presents the development of a prototype of an intelligent active orthosis for lower limbs whit an electronic embedded system. The proposed orthosis is an orthopedical device with the main objective of providing walking capacity to people with partial or total loss of lower limbs movements. In order to design the kinematics, dynamics and the mechanical characteristics of the prototype, the biomechanics of the human body was analized. The orthosis was projected to reproduce some of the movements of the human gait as walking in straight forward, sit down, get up, arise and go down steps. The joints of the orthosis are controlled by DC motors equipped with mechanical reductions, whose purpose is to reduce rotational speed and increase the torque, thus generating smooth movements. The electronic embedded system is composed of two motor controller boards with two channels that communicate with a embedded PC, position sensors and limit switches. The gait movements of the orthosis will be controlled by high level commands from a human-machine interface. The embedded electronic system interprets the high level commands, generates the angular references for the joints of the orthosis, controls and drives the actuators in order to execute the desired movements of the user / Este trabalho tem como objetivo apresentar o desenvolvimento de um prot?tipo de ?rtese ativa inteligente para membros inferiores com um sistema eletr?nico embarcado. A ?rtese proposta ? um dispositivo ortop?dico com o principal objetivo de proporcionar a capacidade de caminhar para pessoas com parcial ou total perda dos movimentos nos membros inferiores. A fim de determinar a cinem?tica, din?mica e as caracter?sticas mec?nicas do prot?tipo, foi analisada a biomec?nica do corpo humano. A ?rtese foi projetada para reproduzir alguns dos movimentos da marcha humana como andar em linha reta, sentar, levantar, subir e descer degraus. O acionamento das articula??es da ?rtese ? realizado por motores CC equipados com caixa de redu??o, cujo objetivo ? reduzir a velocidade de rota??o e aumentar o torque, gerando assim, movimentos suaveis. O sistema eletr?nico embarcado ? composto por duas placas controladoras de motores com dois canais que se comunicam com um computador embarcado, sensores de posi??o e de fim de curso. O movimento de marcha da ?rtese ? controlado por comandos de alto n?vel fornecidos atrav?s da interface homem-m?quina do sistema. O sistema eletr?nico embarcado ? utilizado para interpretar os comandos de alto n?vel, gerar as refer?ncias angulares para as juntas da ?rtese, acionar e controlar os atuadores da ?rtese de forma a executar os movimentos desejados pelo usu?rio

This paper presents a novel approach to the design of a motorized rehabilitation device – active elbow orthosis (AEO) – inspired by the principles of robotic exoskeletons. The device is currently designed for the elbow joint, but can be easily modified for other joints as well. AEO determines the motion activity of the patient using a strain gauge and utilizes this measurement to control the actuator that drives the forearm part of the orthosis. Patient activity level is related to a free arm measurement obtained via a calibration procedure prior to the exercise. A high-level control module offers several types of exercises mimicking the physiotherapist. The device was successfully verified by tests on a number of patients, resulting in extended range of elbow-joint motion.

Le nombre croissant de personnes âgées dans le monde exige de relever de nouveaux défis sociétaux, notamment en termes de services d'aide et de soins de santé. Avec les récents progrès technologiques, la robotique apparaît comme une solution prometteuse pour développer des systèmes visant à faciliter et améliorer les conditions de vie de cette population. Cette thèse vise la proposition et la validation d'une approche de commande robuste et référencée intention d'une orthèse active, destinée à assister des mouvements de flexion/extension du genou pour des personnes souffrant de pathologies de cette articulation. La commande par modes glissants d'ordre 2 que nous proposons permet de prendre en compte les non-linéarités ainsi que les incertitudes paramétriques résultant de la dynamique du système équivalent orthèse-membre inférieur. Elle permet également de garantir d'une part, un bon suivi de la trajectoire désirée imposée par le thérapeute ou par le sujet lui-même, et d'autre part, une bonne robustesse vis-à-vis des perturbations externes pouvant se produire lors des mouvements de flexion/extension. Dans cette thèse, nous proposons également un modèle neuronal de type Perceptron Multi-Couches pour l'estimation de l'intention du sujet à partir de la mesure des signaux EMG caractérisant les activités musculaires volontaires du groupe musculaire quadriceps. Cette approche permet de s'affranchir d'un modèle d'activation et de contraction musculaire complexe. L'ensemble des travaux a été validé expérimentalement avec la participation volontaire de plusieurs sujets valides / The increasing number of elderly in the world reveals today new societal challenges, particularly in terms of healthcare and assistance services. With recent advances in technology, robotics appears as a promising solution to develop systems that improve the living conditions of this aging population. This thesis aims at proposing and validating an approach for robust control of an active orthosis, based on the subject intention. This orthosis is designed to assist flexion/ extension movements of the knee for people suffering from knee joint deficiencies. The proposed second order sliding mode control allows to take into account the nonlinearities and parametric uncertainties resulting from the dynamics of the equivalent lower limb-orthosis system. It also ensures on one hand, a good tracking performance of the desired trajectory imposed by the therapist or the subject itself, and on the second hand, a satisfactory robustness with respect to external disturbances that may occur during flexion and extension of the knee joint. In this thesis, a neural model based on Multi-Layer Perceptron is used to estimate the subject's intention from the measurement of the EMG signals characterizing the voluntary activities of the quadriceps muscle group. This approach overcomes the complex modeling of the muscular activation and contraction dynamics. All the proposed approaches in this thesis have been validated experimentally with the voluntary participation of several healthy subjects

Robôs de reabilitação como próteses ativas e exoesqueletos necessitam de atuadores capazes de atender certos requisitos como baixa impedância de saída, backdrivability, geração de torques grandes e precisos, e uma estrutura leve e compacta. Este trabalho apresenta o projeto de um Atuador Elástico em Série rotacional (AESr) para ser usado em uma prótese ativa para auxiliar na flexão/extensão da articulação do joelho durante a fisioterapia. O dispositivo é constituído de um motor de corrente contínua, um redutor de velocidade do tipo coroa e rosca sem-fim e uma mola torcional personalizada. Uma vez que o elemento elástico é o componente mais importante no projeto do AESr, um procedimento de análise baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF) é utilizado para cumprir os requisitos definidos para a reabilitação do joelho. Com uma massa total de 2,53 Kg, é possível montar diretamente o atuador proposto em uma estrutura de prótese de joelho. Controladores de torque e impedância são implementados para assegurar uma interação segura com o paciente, permitindo que novas estratégias de reabilitação sejam avaliadas. As especificações do projeto bem como o desempenho dos controladores são validados experimentalmente. / Wearable robots, like prostheses, active orthosis and exoskeletons need of actuators able to meet certain requirements as low output impedance, backdrivability, precise and large torque generation, and a compact and lightweight design. This work presents the design of a rotary Series Elastic Actuator (rSEA) to be used in an active orthosis to assist in flexion/extension of the knee joint during physical therapy. The device includes a DC motor, a worm gear and a customized torsion spring. Since the elastic element is the most important component in the design of the rSEA, an analysis procedure based on Finite Element Method (FEM) is used in order to meet the requirements for the specific application. With a total weight of 2.53 kg, it is possible to directly mount the actuator on the frame of a knee orthosis. Torque and impedance controllers are implemented to ensure secure interaction with the patient and enable new strategies for rehabilitation. The design specifications as well as the controllers performance are verified by experiments.

Robôs de reabilitação como próteses ativas e exoesqueletos necessitam de atuadores capazes de atender certos requisitos como baixa impedância de saída, backdrivability, geração de torques grandes e precisos, e uma estrutura leve e compacta. Este trabalho apresenta o projeto de um Atuador Elástico em Série rotacional (AESr) para ser usado em uma prótese ativa para auxiliar na flexão/extensão da articulação do joelho durante a fisioterapia. O dispositivo é constituído de um motor de corrente contínua, um redutor de velocidade do tipo coroa e rosca sem-fim e uma mola torcional personalizada. Uma vez que o elemento elástico é o componente mais importante no projeto do AESr, um procedimento de análise baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF) é utilizado para cumprir os requisitos definidos para a reabilitação do joelho. Com uma massa total de 2,53 Kg, é possível montar diretamente o atuador proposto em uma estrutura de prótese de joelho. Controladores de torque e impedância são implementados para assegurar uma interação segura com o paciente, permitindo que novas estratégias de reabilitação sejam avaliadas. As especificações do projeto bem como o desempenho dos controladores são validados experimentalmente. / Wearable robots, like prostheses, active orthosis and exoskeletons need of actuators able to meet certain requirements as low output impedance, backdrivability, precise and large torque generation, and a compact and lightweight design. This work presents the design of a rotary Series Elastic Actuator (rSEA) to be used in an active orthosis to assist in flexion/extension of the knee joint during physical therapy. The device includes a DC motor, a worm gear and a customized torsion spring. Since the elastic element is the most important component in the design of the rSEA, an analysis procedure based on Finite Element Method (FEM) is used in order to meet the requirements for the specific application. With a total weight of 2.53 kg, it is possible to directly mount the actuator on the frame of a knee orthosis. Torque and impedance controllers are implemented to ensure secure interaction with the patient and enable new strategies for rehabilitation. The design specifications as well as the controllers performance are verified by experiments.