Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro Universitário da FEI, São Bernardo do Campo, 2014

Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2016

Esta tese trata da estimativa de torque e rigidez do paciente dirigida por EMG e sua utilização para adaptar a rigidez do robô durante a reabilitação assistida por robôs. Os sinais eletromiográficos (EMG), obtidos de músculos que atuam durante os movimentos de flexão e extensão de um usuário utilizando uma órtese de joelho ativa, são processados para obter as ativações dos músculos. Inicialmente, um modelo musculoesquelético simplificado e otimizado é usado para calcular as estimativas de torque e rigidez da junta do paciente. A otimização do modelo é realizada comparando o torque estimado com o torque gerado pela ferramenta de dinâmica inversa do software OpenSim, considerando um modelo musculoesquelético escalonado. Como uma solução complementar, é proposta uma rede neural perceptron multicamada (NN) para mapear os sinais EMG para o torque do paciente. Também é apresentado um Ambiente de Estimativa de Torque Gerado por EMG criado para analisar os dados obtidos a partir da aplicação das abordagens propostas considerando a aplicação de um protocolo criado para a análise de interação usuário-exoesqueleto. Um banco de dados de indivíduos saudáveis também foi disponibilizado neste trabalho. Além disso, uma estratégia de controle de impedância adaptativa é proposta para ajustar a rigidez do robô com base na estimativa de rigidez do paciente por EMG. A estratégia inclui uma solução ideal para a interação paciente-robô. Finalmente, são apresentados os resultados obtidos aplicando o controle de impedância adaptativo proposto durante os movimentos de flexão e extensão do usuário que usa a órtese ativa. / This thesis deals with EMG-driven patient torque and stiffness estimation and its use to adapt the robot stiffness during robot-aided rehabilitation. Electromyographic (EMG) signals, taken from selected muscles acting during flexion and extension movements of an user wearing an active knee orthosis, are processed to get the muscles activations. First, a simplified and optimized musculoskeletal model is used to compute the estimate of patient joint torque and stiffness. The model optimization is performed by comparing the estimate torque with the torque generated by the inverse dynamics tool of the OpenSim software, considering a scaled musculoskeletal model. As a complementary solution, a multilayer perceptron neural network (NN) is proposed to map the EMG signals to the patient torque. It is also presented an EMG-driven Torque Estimation Environment created to analyze the data obtained from the application of the proposed approaches considering a protocol created for user-exoskeleton interaction analysis. A database with data from 5 healthy subjects is also made available in this work. Additionally, an adaptive impedance control strategy is proposed to adjust the robot stiffness based on the EMG-driven patient stiffness estimation. The strategy includes an optimal solution for the patient-robot interaction. Finally, the results obtained by applying the proposed adaptive impedance control during flexion and extension movements of the user wearing the active orthosis are presented.

Esta dissertação apresenta o projeto e a construção de atuadores elásticos em série para o acionamento das juntas de um exoesqueleto para membros inferiores, baseado em uma órtese comercial. Inicialmente, considerou-se como dispositivo de testes a parte do exoesqueleto referente à junta do tornozelo, ou seja, a construção de uma órtese tornozelo-pé ativa. Atuadores elásticos em série são considerados neste trabalho, pois tais dispositivos apresentam características ideais para a sua utilização em órteses ativas: controle de força, controle de impedância (possibilidade de impedância baixa), absorção de impactos, baixo atrito e largura de banda que se aproxima da movimentação muscular. Um primeiro protótipo do atuador elástico em série foi construído e resultados experimentais de controle de força, impedância e posição foram obtidos com sucesso, através de uma interface de acionamento e controle entre o atuador, os sensores (encoders e sensores de força) e o computador. Também foi construída uma órtese tornozelo-pé ativa acionada pelo atuador elástico em série construído, sendo apresentados os primeiros resultados experimentais obtidos com este dispositivo. / This dissertation deals with the design and construction of series elastic actuators for driving the joints of an exoskeleton for lower limbs, based on a commercial orthosis. Initially, it was considered the construction of the exoskeleton\'s ankle joint, that is, the construction of an active ankle-foot orthosis. Series elastic actuators are considered in this work since these devices have ideal characteristics for use in active orthoses: force control, impedance control (possibility of low impedance), impact absorption, low friction and bandwidth that approximates the muscle movement. A first prototype of the series elastic actuator was constructed and experimental results of force, impedance, and position control were successfully obtained trough of a control interface between the actuators, the sensors (encoders and force sensors) and the computer. Also, an active ankle-foot orthosis, driven by the series elastic actuator, was constructed and the first experimental results achieved with this device are presented.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma estratégia de assistência adaptativa mediante a implementação de um controle de impedância variável para um robô de reabilitação do tornozelo. A estratégia é formulada de tal forma que o dispositivo robótico assiste ao paciente somente quando e quanto for necessário, seguindo o paradigma Assist-As-Needed. Inicialmente, a contribuição dinâmica do paciente durante a realização do movimento é estimada com base nas informações cinemáticas e de torque fornecidas pelo robô. Em seguida, são propostos dois métodos para se obter o parâmetro de rigidez do controlador de impedância, o primeiro deles determina um valor de erro admissível e calcula a rigidez do robô para complementar a atuação do paciente, e o segundo calcula a rigidez mediante a minimização de um funcional que quantifica o processo de reabilitação e a interação entre robô e paciente. Além disso, a quantidade de assistência dada pelo robô também é adaptada conforme o desempenho do paciente ao longo da sessão. A estratégia foi implementada no robô Anklebot e avaliada em três pacientes pós-AVC para movimentos de flexão dorsal/plantar e de inversão/eversão. Os resultados obtidos indicam que o método utilizado para a estimativa da rigidez é válido para determinar a quantidade de assistência. Finalmente, os resultados confirmam que o aumento do desempenho do paciente gera uma diminuição da assistência robótica, e vice-versa. / This work presents the design of an adaptive robotic assistance strategy through a variable impedance control of an ankle rehabilitation robot. This strategy is formulated so that the robotic device assists the patient only as much as needed, following the Assist-As-Needed paradigm. First, the dynamic contribution of the patient during the motion is estimated based on the torque and kinematic information provided by the robot. Then, two methods are proposed to calculate the stiffness parameter of the impedance controller, the first one determines an admisible value of error and computes the robot stiffness to complement the estimated patient stiffness. The second one computes the robot stiffness by minimizing a functional that quantifies both the rehabilitation process and the interaction between robot and patient. In addition, the amount of the robotic assistance is adapted according to the patient\'s performance. The proposed methods were implemented at the Anklebot and evaluated by three post-stroke patients for dorsi/plantarflexion and inversion/eversion movements. Results indicate that the stiffness estimation is a valid method to determine the amount of the assistance. Finally, the results confirm that increasing the performance of the patient generates a decrease in the robotic assistance, and vice versa.

Esta tese trata da estimativa de torque e rigidez do paciente dirigida por EMG e sua utilização para adaptar a rigidez do robô durante a reabilitação assistida por robôs. Os sinais eletromiográficos (EMG), obtidos de músculos que atuam durante os movimentos de flexão e extensão de um usuário utilizando uma órtese de joelho ativa, são processados para obter as ativações dos músculos. Inicialmente, um modelo musculoesquelético simplificado e otimizado é usado para calcular as estimativas de torque e rigidez da junta do paciente. A otimização do modelo é realizada comparando o torque estimado com o torque gerado pela ferramenta de dinâmica inversa do software OpenSim, considerando um modelo musculoesquelético escalonado. Como uma solução complementar, é proposta uma rede neural perceptron multicamada (NN) para mapear os sinais EMG para o torque do paciente. Também é apresentado um Ambiente de Estimativa de Torque Gerado por EMG criado para analisar os dados obtidos a partir da aplicação das abordagens propostas considerando a aplicação de um protocolo criado para a análise de interação usuário-exoesqueleto. Um banco de dados de indivíduos saudáveis também foi disponibilizado neste trabalho. Além disso, uma estratégia de controle de impedância adaptativa é proposta para ajustar a rigidez do robô com base na estimativa de rigidez do paciente por EMG. A estratégia inclui uma solução ideal para a interação paciente-robô. Finalmente, são apresentados os resultados obtidos aplicando o controle de impedância adaptativo proposto durante os movimentos de flexão e extensão do usuário que usa a órtese ativa. / This thesis deals with EMG-driven patient torque and stiffness estimation and its use to adapt the robot stiffness during robot-aided rehabilitation. Electromyographic (EMG) signals, taken from selected muscles acting during flexion and extension movements of an user wearing an active knee orthosis, are processed to get the muscles activations. First, a simplified and optimized musculoskeletal model is used to compute the estimate of patient joint torque and stiffness. The model optimization is performed by comparing the estimate torque with the torque generated by the inverse dynamics tool of the OpenSim software, considering a scaled musculoskeletal model. As a complementary solution, a multilayer perceptron neural network (NN) is proposed to map the EMG signals to the patient torque. It is also presented an EMG-driven Torque Estimation Environment created to analyze the data obtained from the application of the proposed approaches considering a protocol created for user-exoskeleton interaction analysis. A database with data from 5 healthy subjects is also made available in this work. Additionally, an adaptive impedance control strategy is proposed to adjust the robot stiffness based on the EMG-driven patient stiffness estimation. The strategy includes an optimal solution for the patient-robot interaction. Finally, the results obtained by applying the proposed adaptive impedance control during flexion and extension movements of the user wearing the active orthosis are presented.

Esta dissertação apresenta o projeto e a construção de atuadores elásticos em série para o acionamento das juntas de um exoesqueleto para membros inferiores, baseado em uma órtese comercial. Inicialmente, considerou-se como dispositivo de testes a parte do exoesqueleto referente à junta do tornozelo, ou seja, a construção de uma órtese tornozelo-pé ativa. Atuadores elásticos em série são considerados neste trabalho, pois tais dispositivos apresentam características ideais para a sua utilização em órteses ativas: controle de força, controle de impedância (possibilidade de impedância baixa), absorção de impactos, baixo atrito e largura de banda que se aproxima da movimentação muscular. Um primeiro protótipo do atuador elástico em série foi construído e resultados experimentais de controle de força, impedância e posição foram obtidos com sucesso, através de uma interface de acionamento e controle entre o atuador, os sensores (encoders e sensores de força) e o computador. Também foi construída uma órtese tornozelo-pé ativa acionada pelo atuador elástico em série construído, sendo apresentados os primeiros resultados experimentais obtidos com este dispositivo. / This dissertation deals with the design and construction of series elastic actuators for driving the joints of an exoskeleton for lower limbs, based on a commercial orthosis. Initially, it was considered the construction of the exoskeleton\'s ankle joint, that is, the construction of an active ankle-foot orthosis. Series elastic actuators are considered in this work since these devices have ideal characteristics for use in active orthoses: force control, impedance control (possibility of low impedance), impact absorption, low friction and bandwidth that approximates the muscle movement. A first prototype of the series elastic actuator was constructed and experimental results of force, impedance, and position control were successfully obtained trough of a control interface between the actuators, the sensors (encoders and force sensors) and the computer. Also, an active ankle-foot orthosis, driven by the series elastic actuator, was constructed and the first experimental results achieved with this device are presented.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma estratégia de assistência adaptativa mediante a implementação de um controle de impedância variável para um robô de reabilitação do tornozelo. A estratégia é formulada de tal forma que o dispositivo robótico assiste ao paciente somente quando e quanto for necessário, seguindo o paradigma Assist-As-Needed. Inicialmente, a contribuição dinâmica do paciente durante a realização do movimento é estimada com base nas informações cinemáticas e de torque fornecidas pelo robô. Em seguida, são propostos dois métodos para se obter o parâmetro de rigidez do controlador de impedância, o primeiro deles determina um valor de erro admissível e calcula a rigidez do robô para complementar a atuação do paciente, e o segundo calcula a rigidez mediante a minimização de um funcional que quantifica o processo de reabilitação e a interação entre robô e paciente. Além disso, a quantidade de assistência dada pelo robô também é adaptada conforme o desempenho do paciente ao longo da sessão. A estratégia foi implementada no robô Anklebot e avaliada em três pacientes pós-AVC para movimentos de flexão dorsal/plantar e de inversão/eversão. Os resultados obtidos indicam que o método utilizado para a estimativa da rigidez é válido para determinar a quantidade de assistência. Finalmente, os resultados confirmam que o aumento do desempenho do paciente gera uma diminuição da assistência robótica, e vice-versa. / This work presents the design of an adaptive robotic assistance strategy through a variable impedance control of an ankle rehabilitation robot. This strategy is formulated so that the robotic device assists the patient only as much as needed, following the Assist-As-Needed paradigm. First, the dynamic contribution of the patient during the motion is estimated based on the torque and kinematic information provided by the robot. Then, two methods are proposed to calculate the stiffness parameter of the impedance controller, the first one determines an admisible value of error and computes the robot stiffness to complement the estimated patient stiffness. The second one computes the robot stiffness by minimizing a functional that quantifies both the rehabilitation process and the interaction between robot and patient. In addition, the amount of the robotic assistance is adapted according to the patient\'s performance. The proposed methods were implemented at the Anklebot and evaluated by three post-stroke patients for dorsi/plantarflexion and inversion/eversion movements. Results indicate that the stiffness estimation is a valid method to determine the amount of the assistance. Finally, the results confirm that increasing the performance of the patient generates a decrease in the robotic assistance, and vice versa.

Este trabalho propõe um sistema de manipulação robótica para interação física segura com objetos ou humanos em ambientes não estruturados. A proposta considera a execução de tarefas de manipulação e a prevenção e tratamento de colisões utilizando apenas uma lei de controle, o controle de impedância. A inovação científica consiste em um sistema multifuncional implementado com uma única lei de controle em contraste com os sistemas já existem que utilizam chaveamento entre controladores para cada diferente funcionalidade do sistema, e que apresentam diversas desvantagens como instabilidade e oscilações, aumento da complexidade de programação, entre outras. Inicialmente é proposto um planejador de manipulação e regrasping baseado na combinação de trajetórias suaves e na adaptação dos parâmetros de um controle de impedância em tempo de execução. A mudança da impedância para cada etapa é obtida pela modificação dos parâmetros de inércia, rigidez e amortecimento do controlador. A estabilidade desta mudança dinâmica é possível pela utilização de trajetórias suaves obtidas com planejador Squeezed Screw modificado, cujas trajetórias geradas são livres de descontinuidades na posição e na velocidade. Adicionalmente, a prevenção de colisões é realizada com o auxílio de campos potenciais de forças de repulsão formados pela análise de dados de um sistema de visão também proposto. Estes mesmos dados são utilizados para a construção de um mapa de impedâncias ao redor do objeto cuja finalidade é suavizar efeitos de colisões indesejadas. Experimentos com um robô de arquitetura aberta e com um sistema de visão de baixo custo foram realizados na execução tarefa de manipulação de referência para se avaliar o desempenho da metodologia proposta em diferentes condições de operação encontradas em ambientes não estruturados, como por exemplo: erros de medida de posição, de calibração, ocorrência de colisões, etc. A tarefa de manipulação eleita foi a reorientação em 60° de um objeto circular no plano. Os resultados obtidos nos experimentos mostram a capacidade do controle de impedância associado a trajetórias suaves de realizar a tarefa eleita segundo avaliação utilizando como métricas de desempenho a porcentagem de reorientação, que apresentou uma média de 80% mesmo na presença de erros de medida do sensor de visão e erros de determinação da posição do objeto. / Recent applications in various robotics areas consider interaction between robots and objects or humans in non-structured environments. Under these conditions, in addition to the desire of robots to be able to perform their main tasks, handling, navigation, rehabilitation, etc, it is also desired to prevent and properly handle possible unwanted collisions, whether with objects, with other robots, animals or humans. There are several proposed methods for avoidance, handling and reaction for collisions, however, a widely used strategy is the controller switching between different robot states. There are several drawbacks within this strategy: instability and oscillation, increased programming complexity and consequent increased failure risk, need for different sensors and consequent increase in cost, among others. This work proposes a system applied to the robotic manipulation which is based on only one control law, the impedance control, whose expected capacity is, further performing manipulation tasks, avoidance and handling of potential undesired collisions. It is initially proposed a manipulation planner based the combination of smooth trajectories and the adjustment of parameters an impedance control at runtime. The change of impedance for each phase is achieved by modifying the parameters: mass, spring and damping controller. The stability of this dynamic change is possible by using smooth trajectories obtained with a modified Squeezed Screw trajectory planner, whose paths are discontinuities free in the position and speed. Additionally, collision avoidance is achieved through potential fields the repulsive forces of formed by analysis of data vision. The same data is used to construct an impedance map surrounding the object which objective is collision handling. Experiments with an open architecture robot and a low cost vision system are carried out in the execution of a benchmark manipulation task to evaluate the proposal performance under different operating conditions found in unstructured environments, for example, position measurement errors, calibration problems, occurrence of collisions, among others.

Manipulação robótica em ambientes não estruturados desafia intensamente a comunidade científica. Grandes esforços tem sido empregados em sistemas de visão computacional culminando em resultados notáveis. Entretanto, a informação obtida de sistemas de visão diversas vezes é incompleta, ruidosa e imprecisa devido a limitações técnicas dos sensores empregados ou devido a posição em que o sensor se encontra em relação ao ambiente. Além disso, pouca atenção tem sido destinada a utilização do tato como informação adicional para enriquecer a percepção do ambiente. Este trabalho apresenta um estudo experimental de exploração do ambiente através de contato estável utilizando controle de impedância aplicado a um manipulador robótico. Um framework de manipulação robótica é apresentado e o trabalho é posicionado neste framework na forma de sub-tarefas do mesmo. A descrição do sistema robótico utilizado assim como o detalhamento da implementação de comunicação e controle dos diversos sub-sistemas que o compõem são apresentadas. O trabalho descreve uma série de ensaios experimentais onde o manipulador executa o contato físico com o ambiente. Nestes ensaios é realizada a modificação dos parâmetros do controlador de impedância do manipulador com o objetivo de analisar a influência dos mesmos no resultado. A análise é feita com relação a estabilidade durante o contato e ao erro de acompanhamento de posição após a perda de contato. Em seguida, uma série de estratégias de alteração dos parâmetros do controlador de impedância durante a execução da tarefas é apresentada juntamente com os resultados experimentais e análises comparativas entre elas e os resultados anteriores. O objetivo destas estratégias é melhorar o desempenho e a estabilidade da tarefa garantindo uma medida precisa e estável da posição do objeto no ambiente. A análise dos resultados obtidos mostra que as estratégias efetivamente melhoram o desempenho do sistema em relação aos parâmetros de análise adotados. Finalmente são apresentados os resultados de um teste de repetibilidade da medição da posição de conjunto através da abordagem apresentada. Estes resultados são comparados com resultados de precisão de sistemas de visão computacional. Este teste suporta a conclusão que confirma a viabilidade do método explorado no trabalho. / Robotic manipulation in unstructured environments is a major challenge to the research community. Great efforts are being directed to computational vision systems development and incredible outcome has been achieved. However, the information retrieved from vision systems is often incomplete, noisy or inaccurate due to technical limitations linked to the sensors used in such systems or the positioning of the system in the environment. Furthermore, few attention is been delivered to the application of tactile information to increase the information quality about the environment. This work presents an experimental study about the environment exploration using stable contact and impedance controlled manipulators. A framework for robotic manipulation is presented and this work is positioned in such framework in a tasks and subtasks style. The detailed information about the manipulator system and the implementation is also outlined including all the control levels and communication layers is also outlined. The work describes a series of experimental tests where the manipulator performs physical contact to the environment. The impedance control parameters are than changed aiming to analyse and determine their influence into the observed results. The contact stability and the following error are used as performance indicators. Following such experimental series, four impedance control parameter change strategies are proposed, tested and analysed when performing a task of touching the environment. The results are also compared to the results obtained from the fix parameter tests. The strategies objective is improve the contact stability ensuring a accurate measurement of the environment position. The results show a real improvement of the environment position measurement towards the same measurement when using fixed impedance control parameters. Finally, results from a repeatability test for the results of environment position measurement using the best approach proposed where presented. Such results are compared from the results achieved from vision systems and show a greater performance for the tactile environment exploration approach.