O seguinte trabalho visa o estudo, desenvolvimento e teste de um controlador de impedância genérico, que seja adequado para controle de exoesqueletos e outros sistemas robóticos, e que permita a utilização de um atuador de liga de memória de forma (SMA), entre outros tipos de atuador. Um segundo objetivo é avaliar a viabilidade da utilização de atuadores de SMA em aplicações de exoesqueletos para humanos, partindo dos resultados obtidos com o controlador e atuador propostos. Para atingir estas metas, foi projetado e construído um protótipo de exoesqueleto de membro inferior com um grau de liberdade, sendo que um atuador baseado em fios de liga de memória de forma foi utilizado. O algoritmo de controle de impedância foi desenvolvido e testes foram realizados primeiro por meio de simulações e posteriormente em ensaios práticos com o protótipo. Os resultados experimentais confirmaram a expectativa indicada pelos resultados numéricos. Embora o controlador de impedância haja funcionado como se pretendia, o atuador deixou a desejar devido, sobretudo, à sua lentidão de resposta. O texto apresenta uma breve revisão teórica sobre controle de impedância, exoesqueletos biomecatrônicos e ligas de memória de forma. Ademais, detalha o modelo matemático do problema e o aparato experimental projetado para realizar os ensaios que serviram de base para a análise do problema. Após apresentação e discussão dos resultados, é feita uma análise da viabilidade de aplicação destes conceitos a exoesqueletos para uso em humanos, concluindo que ainda há desafios tecnológicos importantes a serem vencidos antes da implementação prática de exoesqueletos com atuadores de SMA; contudo, esta implementação não pode ser descartada. Detalhes construtivos e programas desenvolvidos para simulações e controle do protótipo são apresentados nos apêndices. / This work proposes the study, development and test of a generic impedance controller, which must be adequate to control exoskeletons as well as other robotic systems, and must allow the use of a shape memory alloy (SMA) actuator, among others kinds of actuation. A second objective is to evaluate if it is possible to use SMA actuators in exoskeletons for humans, taking into account the results obtained with the proposed controller and actuator. To achieve such goals, a one degree of freedom, lower limb exoskeleton prototype was designed and built, while an actuator based on SMA wires was used. The impedance control algorithm was developed and tests were made, first by means of simulations and later by tests on the prototype. Experimental data confirmed the expected results obtained by simulations. Although the impedance controller has worked as desired, the actuator did not meet the expectations, especially because of its slow response. The text brings a brief theoretical review about impedance control, biomechatronic exoskeletons and shape memory alloys. In addition, it details the mathematical model of the problem and the experimental apparatus, designed to the execution of tests which would serve as a foundation to the problem analysis. After the results are presented and discussed, the viability of use of the proposed concepts to SMA-actuated-exoskeletons is analyzed, concluding that there are still important technological challenges to be overcome before the practical implementation of exoskeletons with SMA actuators; however, this implementation cannot be discarded. Constructive details of the prototype and the programs developed to simulate and control it are presented in the appendixes.

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.

[pt] A robótica aplicada à reabilitação e amplificação humana está em uma fase iminente de se tornar parte de nossa vida diária. A justaposição da capacidade de controle humana e o poder mecânico desenvolvido pelas máquinas oferecem uma promissora solução para auxílio físico e de amplificação humana. O presente trabalho apresenta um exoesqueleto ativo para membros superiores controlado por uma alternativa e simples Interface Homem-Máquina (HMI) que utiliza o Modelo Muscular de Hill para aumentar a força e resistência mecânica do usuário. Músculos Pneumáticos Artificiais (PAM) são utilizados como atuadores por sua alta razão entre potência e peso e atuam o sistema através de um esquema com cabos de aço. Algoritmos Genéticos (GA) aproximam localmente os parâmetros do modelo matemático do atuador e o modelo fisiológico do músculo, que utiliza sinais eletromiográficos superficiais (sEMG) para estimar o torque na articulação do exoesqueleto. A metodologia proposta oferece três vantagens principais: (i) reduz o número de eletrodos necessários para monitorar a atividade muscular, (ii) elimina a necessidade de transdutores de força ou pressão entre o exoesqueleto e o usuário ou o ambiente e (iii) reduz o custo de processamento em tempo-real, necessário para implementações de sistemas embarcados. O exoesqueleto é restrito ao membro superior direito e a estratégia de controle é avaliada verificando o desempenho do usuário ao manipular uma carga de 3.1kg estática e dinamicamente com e sem o auxílio do equipamento assistivo. / [en] Robotics for rehabilitation and human amplification is imminent to become part of our daily life. The juxtaposition of human control capability and machine mechanical power offers a promising solution for human assistance and physical enhancement. This work presents an upper limb active exoskeleton controlled by an alternative and simple Human-Machine Interface (HMI) that uses a Hill Muscle Model for strength and endurance amplification. Pneumatic Artificial Muscles (PAM) are used as actuators for its high power-to-weight ratio and to drive the system through a cable arrangement. Genetic Algorithms (GA) approach locally optimizes the model parameters for the actuator mathematical model and the physiologic muscle model that uses the surface electromyography (sEMG) to estimate the exoskeleton joint torque. The proposed methodology offers three main advantages: (i) it reduces the number of electrodes needed to monitor the muscles, (ii) it eliminates the need for user force or pressure sensoring, and (iii) it reduces the real-time processing effort which is necessary for embedded implementation and portability. The exoskeleton is restricted to the right upper limb and the control methodology is validated evaluating the user performance while dynamically and statically handling a 3.1kg payload with and without the aid of the assistive device.

[ES] La mano humana es uno de los instrumentos más importantes para la psicomotricidad de ser humano y cualquier problema crónico como la Artritis Reumatoide (AR) implica la necesidad de una rehabilitación pautada y seriada desde el punto de vista médico que controle y verifique su efectividad en el tiempo. La Artritis Reumatoide es una de las enfermedades crónicas de mayor impacto social en la actualidad que afecta principalmente a personas mayores. Se considera que la AR afecta actividades y la calidad de vida de una persona, sobre todo en la de los adultos mayores, donde las afectaciones son mayormente significativas y requieren de atención. A través de la rehabilitación controlada asistida por ordenador, la tesis presenta, por una parte, una investigación sobre exoesqueletos para la rehabilitación crónica y por otra, la creación y validación de un dispositivo exoesquelético para el mano denominado ARTH-aid System que servirá para mejorar la rehabilitación de la mano artrítica que sufre una atrofia muscular progresiva. El sistema creado representa una ayuda significativa a través de la integración de determinados factores como: ergonomía, funcionalidad y diseño. Se ha diseñado y testeado con usuarios finales tomando en cuenta los factores mecánicos y de funcionalidad en la pérdida progresiva de movilidad manual de la mano en personas mayores con AR crónica. El sistema de rehabilitación incluye como parte fundamental un exoesqueleto en la mano que evalúa la dinámica y el progreso de la rehabilitación de un usuario generando confianza y satisfacción en el paciente durante las sesiones y mejorando la interacción con el fisioterapeuta. La metodología y el diseño de un guante exoesqueleto para la rehabilitación de pacientes crónicos de AR, ha sido desarrollada y evaluada teniendo en cuenta aspectos relacionados con el Design Thinking (DT) y el Diseño Centrado en el Usuario (DCU). Así mismo, en la creación e implementación tecnológica del sistema, se ha tenido en cuenta las tecnologías informáticas y electrónicas orientadas al manejo de sistema de gestión y control de movimientos programados mediante una placa electrónica integrada, finalmente se han utilizados aplicaciones de Diseño Asistido por Ordenador (DAO) y herramientas de Prototipado Rápido (PR) para la generación de las simulaciones informáticas y piezas físicas articuladas implementadas en el guante. La validación del sistema se realizó en el Hogar de Ancianos Santa Catalina Labouré, de Quito, Ecuador, primero con un grupo de expertos compuesto por los fisioterapeutas que trabajan en el centro y que permitió analizar su factibilidad como sistema integrado en el proceso de rehabilitación actual y posteriormente con un grupo de pacientes controlados terapéuticamente desde el centro, que permitió validar la funcionalidad del dispositivo, verificar su efectividad y evaluar el nivel de satisfacción dentro de la experiencia del usuario. / [CA] En la present tesi doctoral es va a profundir una de les malalties de gran impacte com és el cas de l'Artritis Reumatoide (AR) que afecta greument nivell mundial a persones de diferents edats. En entendre a la mà com una de les majors eines de vida, es consideren tots els impactes que té la AR en la vida d'una persona, especialment en la dels adults majors, on les afectacions són majorment significatives i requereixen d'atenció Amb la finalitat de millorar la qualitat de vida d'adults majors que pateixen de AR, la investigació culmina en el disseny d'una eina per a la rehabilitació contínua i controlada que va ser concebuda mitjançant el Disseny Centrat en l'Usuari (DCU) i la implementació de tecnologies i eines de Prototipado Ràpid. No sense abans haver realitzat una forta investigació que permeta comprendre clarament l'anatomia i la fisiologia de la mà. Seguit de revisions de pro-posades que es troben en el mercat i de diferents validacions amb diversos prototips, els mateix que són part de la metodologia utilitzada i que van permetre analitzar tant a la proposta de disseny com els requeriments essencials dels usuaris finals. El correcte enteniment de l'estructura biomecànica de la mà resideix en el coneixement de la seua estructura com un component funcional autònom; la geometria biomètrica de la mà representa un conjunt d'ossos, músculs i articulacions que són els responsables del control motor i sensorial de la mà. En perdre aquestes habilitats i funcions, es perd la capacitat de realitzar una sèrie de diversos moviments de força i agarres, i fins i tot altres activitats quotidianes com vestirse o menjar. El desenvolupament d'un sistema de rehabilitació mitjançant un exoesquelet adaptat i dissenyat pensant en l'usuari, permet millorar la interacció objecte- persona, la dinàmica de rehabilitació i generar confiança en el pacient durant el seu interacció amb el fisioterapeuta. Aquest escenari representa una ajuda significativa a través de la integració de determinats factors com: ergonomia, funcionalitat i disseny per a assemble i manufactura, aspectes que van permetre validar l'exoesquelet creat amb un grup d'usuaris reals. En aqueix sentit, les validacions es van fer tant amb el grup de pacients que pertanyen a la Llar d'Ancians "Santa Catalina Labouré", com amb el grup expert de fisioterapeutes que dediquen un temps a la rehabilitació d'aquests pacients. / [EN] The human hand is one of the most important instruments for the psychomotricity of being human and any chronic problem such as Rheumatoid Arthritis (RA) implies the need for a scheduled and serial rehabilitation from the medical point of view that controls and verifies its effectiveness over time. Rheumatoid arthritis is one of the chronic diseases with the greatest social impact today that mainly affects older people. RA is considered to affect a person's activities and quality of life, especially in older adults, where the affectations are mostly significant and require attention. Through computer-aided controlled rehabilitation, the thesis presents, on the one hand, an investigation on exoskeletons for chronic rehabilitation and on the other, the creation and validation of an exoskeletal device for the hand called ARTH-AID System that will serve to improve the rehabilitation of the arthritic hand that suffers a progressive muscular atrophy. The system created represents a significant help through the integration of certain factors such as: ergonomics, functionality and design. It has been designed and tested with end users taking into account the mechanical and functional factors in the progressive loss of manual hand mobility in older people with chronic RA. The rehabilitation system includes as a fundamental part an exoskeleton in the hand that evaluates the dynamics and progress of a user's rehabilitation, generating confidence and satisfaction in the patient during the sessions and improving the interaction with the physiotherapist. The methodology and design of an exoskeleton glove for the rehabilitation of chronic RA patients has been developed and evaluated considering aspects related to Design Thinking (DT) and User-Centered Design (DCU). Likewise, in the creation and technological implementation of the system, computer and electronic technologies oriented to the management of management system and control of programmed movements through an integrated electronic board have been taken into account, finally Computer Aided Design (DAO) applications and Rapid Prototyping (PR) tools have been used for the generation of computer simulations and articulated physical parts implemented in the glove. The validation of the system was carried out at the Santa Catalina Labouré Nursing Home, in Quito, Ecuador, first with a group of experts composed of the physiotherapists who work in the center and that allowed to analyze its feasibility as an integrated system in the current rehabilitation process and later with a group of potential users or patients controlled therapeutically from the center, that allowed to validate the functionality of the device, verify its effectiveness and evaluate the level of satisfaction within the user experience. / Moya Jiménez, RC. (2023). Estudio sistémico de una estructura exoesquelética para la rehabilitación de la atrofia muscular de la mano en personas con artritis reumatoide [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193057

[ES] Los biosensores son dispositivos analíticos con aplicabilidad en diferentes campos y con numerosas ventajas frente a otros métodos analíticos convencionales, como son el uso de pequeños volúmenes de muestra y reactivos, su sensibilidad y su rápida respuesta, sin necesidad de pretratamiento de la muestra, equipos caros o personal especializado. Sin embargo, se trata de un campo de investigación relativamente nuevo en el que todavía queda mucho camino por andar. Esta Tesis doctoral pretende aportar un granito de arena a este campo de conocimiento mediante el estudio del potencial de diferentes materiales porosos como transductores para el desarrollo de biosensores ópticos con respuesta en tiempo real y sin marcajes. Los materiales propuestos van desde aquellos artificialmente sintetizados, como silicio poroso (SiP), nanofibras (NFs) poliméricas o membranas poliméricas comerciales, hasta materiales naturales con propiedades fotónicas que todavía no habían sido explotadas para el sensado, como son los exoesqueletos de biosílice de diatomeas. Todos ellos tienen en común la simplicidad en su obtención, evitando costosos y laboriosos procesos de nanofabricación. Para su estudio, se analizará su respuesta óptica y, en aquellos casos en los que ésta permita llevar a cabo experimentos de detección, se desarrollarán estrategias para su biofuncionalización y su implementación en experimentos de biosensado. En el caso del SiP y las NFs se han optimizado los parámetros de fabricación para obtener una respuesta óptica adecuada que permita su interrogación. A continuación, se ha llevado a cabo su biofuncionalización empleando métodos covalentes y no covalentes, así como diferentes bioreceptores (aptámeros de ADN y anticuerpos) para estudiar su potencial y sus limitaciones como biosensores. En el caso de las membranas comerciales y el exoesqueleto de sílice de diatomeas, se ha caracterizado su respuesta óptica y se han llevado a cabo experimentos de sensado de índice de refracción para estudiar su sensibilidad. Así mismo, se ha desarrollado un método de funcionalización de la superficie del exoesqueleto de diatomeas basado en el uso de polielectrolitos catiónicos. Como resultado, se ha demostrado el potencial tanto de NFs para el desarrollo de biosensores, como el de membranas comerciales para sensores cuya aplicación no requiera una elevada sensibilidad pero sí un bajo coste. Además, se ha puesto de manifiesto el gran potencial del exoesqueleto de diatomeas para el desarrollo de sensores basados en su respuesta óptica. Por el contrario, las limitaciones encontradas en el desarrollo de biosensores basados en SiP han evidenciado la necesidad de un estudio riguroso y la optimización de la estructura de materiales porosos previamente a ser usados en (bio)sensado. / [CA] Els biosensors són dispositius analítics amb aplicabilitat en diferents camps i amb nombrosos avantatges enfront d'altres mètodes analítics convencionals, com són l'ús de xicotets volums de mostra i reactius, la seua sensibilitat i la seua ràpida resposta, sense necessitat de pretractament de la mostra, equips cars o personal especialitzat. No obstant això, es tracta d'un camp d'investigació relativament nou en el qual encara queda molt camí per fer. Aquesta Tesi doctoral pretén aportar el seu òbol a aquest camp de coneixement mitjançant l'estudi del potencial de diferents materials porosos com a transductors per al desenvolupament de biosensors òptics amb resposta en temps real i sense marcatges. Els materials proposats van des d'aquells artificialment sintetitzats, com a silici porós (SiP), nanofibras (NFs) polimèriques o membranes polimèriques comercials, fins a materials naturals amb propietats fotòniques que encara no havien sigut explotades per al sensat, com són els exoesquelets de biosílice de diatomees. Tots ells tenen en comú la simplicitat en la seua obtenció, evitant costosos i laboriosos processos de nanofabricació. Per al seu estudi, s'analitzarà la seua resposta òptica i, en aquells casos en els quals aquesta permeta dur a terme experiments de detecció, es desenvoluparan estratègies per a la seua biofuncionalizació i la seua implementació en experiments de biosensat. En el cas del SiP i les NFs s'han optimitzat els paràmetres de fabricació per a obtenir una resposta òptica adequada que permeta la seua interrogació. A continuació, s'ha dut a terme la seua biofuncionalizació emprant mètodes covalents i no covalents, així com diferents bioreceptors (aptàmers d'ADN i anticossos) per a estudiar el seu potencial i les seues limitacions com a biosensors. En el cas de les membranes comercials i l'exoesquelet de sílice de diatomees, s'ha caracteritzat la seua resposta òptica i s'han dut a terme experiments de sensat d'índex de refracció per a estudiar la seua sensibilitat. Així mateix, s'ha desenvolupat un mètode de funcionalizació de la superfície de l'exoesquelet de diatomees basat en l'ús de polielectròlits catiònics. Com a resultat, s'ha demostrat el potencial tant de NFs per al desenvolupament de biosensors, com el de membranes comercials per a sensors amb una aplicació que no requerisca una elevada sensibilitat però sí un baix cost. A més, s'ha posat de manifest el gran potencial de l'exoesquelet de diatomees per al desenvolupament de sensors basats en la seua resposta òptica. Per contra, les limitacions trobades en el desenvolupament de biosensors basats en SiP han evidenciat la necessitat d'un estudi rigorós i l'optimització de l'estructura dels materials porosos prèviament a ser usats en (bio)sensat. / [EN] Biosensors are analytical devices with application in diverse fields and with several advantages relative to other conventional methods, such as the use of small volumes of sample and reagents, their sensitivity and their fast response, without the need of the sample pretreatment, expensive equipments or specialised technicians. Nevertheless, this is a relatively new research field in which there is a long way to go yet. This doctoral Thesis aims at doing its bit to this field of knowledge by studying the potential of different porous materials as transducers for the development of real-time and label-free optical biosensors. The proposed materials range from those artificially synthesised, such as porous silicon (pSi), polymeric nanofibres (NFs) or commercial polymeric membranes, to natural materials with photonic properties that had not been exploited for sensing yet, such as biosilica exoskeletons of diatoms. All of them have in common its simple production, avoiding expensive and laborious nanofabrication processes. For their study, their optical response will be analysed and, in those cases in which such optical response allows performing detection experiments, strategies for their biofunctionalisation and their implementation in biosensing experiments will be developed as well. Regarding pSi and NFs, the fabrication parameters were optimised to get a suitable optical response for their interrogation. Afterwards, their surface functionalisation was carried out by covalent and non-covalent methods, as well as different bioreceptors (DNA aptamers and antibodies), to study their potential and their constraints as biosensors. Concerning commercial membranes and the biosilica exoskeleton of diatoms, their optical response was characterised and refractive index sensing experiments were carried out to study their sensitivity. Additionally, a biofunctionalisation method for the surface of the diatoms exoskeleton was developed based on the use of cationic polyelectrolytes. As a result, it was demonstrated the potential of NFs for the development of biosensors, as well as the potential of commercial membranes for developing sensors for an application that does not require a high sensitivity but a low cost. Furthermore, the great potential of biosilica exoskeleton of diatoms for the development of sensors based on their optical response has been revealed. By contrast, the constraints found in the development of pSi illustrate the importance of an accurate study and optimisation of porous materials structure before using them for (bio)sensing. / Martínez Pérez, P. (2021). Development and Optimization of Experimental Biosensing Protocols Using Porous Optical Transducers [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172541 / TESIS