Com os avanços significativos no campo da medicina, cada vez mais a tecnologia robótica vem sendo empregada no tratamento de indivíduos que sofreram alguma deficiência física. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um Atuador Elástico em Série Compacto, aqui denominado AESC, e suas possíveis utilizações no campo da reabilitação robótica. Os controles implementados foram: Controle de Posição, Controle de Força e Controle de Impedância. Atuadores elásticos em série são utilizados, pois tais dispositivos apresentam características ideais para a utilização em equipamentos voltados à reabilitação: impedância controlável possibilidade de impedância baixa), baixo atrito e largura de banda que se aproxima do padrão de movimento humano. Aplicações do AESC para reabilitação de indivíduos que tenham sofrido lesão cerebral ou lesões ortopédicas e traumatológicas são apresentadas. Elas se mostram como um recurso para incrementar a reabilitação relacionada ao ganho de força muscular do tornozelo, bem como aumento da amplitude de movimento. A Plataforma Robótica de Reabilitação de Tornozelo utiliza uma interface baseada em jogos para o auxílio da reabilitação, tornando o processo mais lúdico estimulando a aprendizagem. O Exoesqueleto para Membros Inferiores simula o caminhar humano, auxiliando pessoas que tenham sofrido Acidente Vascular Encefálico. / With significant advances in the medical field, more and more robotic technology has been used to treat individuals who have suffered a physical disability. This dissertation presents the development of a Compact Series Elastic Actuator, named here as AESC, and its possible uses on the field of robotic rehabilitation. The controls types implemented include: Position Control, Force Control and Impedance Control. Series elastic actuators are used because such devices have ideal characteristics for use in equipments for rehabilitation: controllable impedance (possibility of low impedance), low friction and bandwidth that approaches the human movement. Applications of the AESC for rehabilitation of individuals who have suffered brain or orthopedic damages are presented. They appear as a resource to enhance the rehabilitation related to gain in muscle strength of the ankle muscles, as well as to increase the range of motion. The Robotic Platform of Ankle Rehabilitation uses a game-based interface for rehabilitation, to make the rehabilitation process more playful. The Exoskeleton for Lower Limbs simulates human walking, helping people who have suffered stroke.

Com os avanços significativos no campo da medicina, cada vez mais a tecnologia robótica vem sendo empregada no tratamento de indivíduos que sofreram alguma deficiência física. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um Atuador Elástico em Série Compacto, aqui denominado AESC, e suas possíveis utilizações no campo da reabilitação robótica. Os controles implementados foram: Controle de Posição, Controle de Força e Controle de Impedância. Atuadores elásticos em série são utilizados, pois tais dispositivos apresentam características ideais para a utilização em equipamentos voltados à reabilitação: impedância controlável possibilidade de impedância baixa), baixo atrito e largura de banda que se aproxima do padrão de movimento humano. Aplicações do AESC para reabilitação de indivíduos que tenham sofrido lesão cerebral ou lesões ortopédicas e traumatológicas são apresentadas. Elas se mostram como um recurso para incrementar a reabilitação relacionada ao ganho de força muscular do tornozelo, bem como aumento da amplitude de movimento. A Plataforma Robótica de Reabilitação de Tornozelo utiliza uma interface baseada em jogos para o auxílio da reabilitação, tornando o processo mais lúdico estimulando a aprendizagem. O Exoesqueleto para Membros Inferiores simula o caminhar humano, auxiliando pessoas que tenham sofrido Acidente Vascular Encefálico. / With significant advances in the medical field, more and more robotic technology has been used to treat individuals who have suffered a physical disability. This dissertation presents the development of a Compact Series Elastic Actuator, named here as AESC, and its possible uses on the field of robotic rehabilitation. The controls types implemented include: Position Control, Force Control and Impedance Control. Series elastic actuators are used because such devices have ideal characteristics for use in equipments for rehabilitation: controllable impedance (possibility of low impedance), low friction and bandwidth that approaches the human movement. Applications of the AESC for rehabilitation of individuals who have suffered brain or orthopedic damages are presented. They appear as a resource to enhance the rehabilitation related to gain in muscle strength of the ankle muscles, as well as to increase the range of motion. The Robotic Platform of Ankle Rehabilitation uses a game-based interface for rehabilitation, to make the rehabilitation process more playful. The Exoskeleton for Lower Limbs simulates human walking, helping people who have suffered stroke.

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.