Knee osteoarthritis (KOA) is the primary cause of chronic immobility in populations over the age of 65. It is a joint degenerative disease in which the articular cartilage in the knee joint wears down over time, leading to symptoms of pain, instability, joint stiffness, and misalignment of the lower extremities. Without intervention, these symptoms gradually worsen over time, decreasing the overall knee range of motion (ROM) and ability to walk. Current clinical interventions include offloading braces, which mechanically realign the lower extremities to alleviate the pain experienced in the medial compartment of the knee joint. Though these braces have proven effective in pain management, studies have shown a significant decrease in knee ROM while using the brace. Concurrently, development of active exoskeletons for rehabilitative gait has increased within recent years in efforts to provide patients with a more effective intervention for dealing with KOA. Though some developed exoskeletons are promising in their efficacy of fostering gait therapy, these devices are heavy, tethered, difficult to control, unavailable to patients, or costly due to the number of complicated components used to manufacture the device. However, the idea that an active component can improve gait therapy for patients motivates this study. This study proposes the design of an adjustable lower extremity exoskeleton which features a single linear actuator adapted onto a commercially available offloading brace. This design hopes to provide patients with pain alleviation from the brace, while also actively driving the knee through flexion and extension. The design and execution of this exoskeleton was accomplished by 3D computer simulation, 3D CAD modeling, and rapid prototyping techniques. The exoskeleton features 3D printed, ABS plastic struts and supports to achieve successful adaptation of the linear actuator to the brace and an electromechanical system with a rechargeable operating capacity of 7 hours. Design validation was completed by running preliminary gait trials of neutral gait (without brace or exoskeleton), offloading brace, and exoskeleton to observe changes between the different gait scenarios. Results from this testing on a single subject show that there was an observed, significant decrease in average knee ROM in the offloading brace trials from the neutral trials and an observed, significant increase in average knee ROM in the exoskeleton trials when compared to the brace trials as hypothesized. Further evaluation must be completed on the clinical efficacy of this device with a larger, and clinically relevant sample size to assess knee ROM, pain while using the device, and overall comfort level. Further development of this design could focus on material assessment, cost analysis, and risk mitigation through failure mode analysis.

Alors que de nombreux exosquelettes destinés à la rééducation neuromotrice ont été développés ces dernières années, ces dispositifs n'ont pas encore permis de vrai progrès dans la prise en charge des patients cérébrolésés. Une des clés pour améliorer les faibles résultats thérapeutiques obtenus serait de constamment adapter la thérapie robotisée en fonction de l'évolution du patient et de sa récupération, en adaptant l'assistance fournie par le robot pour maximiser l'engagement du patient. L'objectif de cette thèse est donc de comprendre les processus d'adaptations réciproques dans un contexte d'interaction physique Homme-Exosquelette. Dans un premier temps nous avons donc développé un nouveau type de contrôleur adaptatif qui assiste le sujet "au besoin", en modulant l'assistance fournie; et évalué différent signaux pour piloter cette adaptation afin de suivre au mieux la récupération du patient. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'adaptation de sujets sains à l'application de champs de forces distribués par un exosquelette sur leur bras durant la réalisation de mouvements dans l'espace. En effet, lors d'une interaction physique homme-robot, le sujet adapte aussi son comportement aux contraintes exercées par le robot. D'importantes différences inter-individuelles ont été observées, avec une adaptation à la contrainte imposée chez seulement 21% des sujets, mais avec des effets à-posteriori persistants mesurés chez 85% d'entre eux; ainsi qu'une généralisation dans l'espace de ces effets et un transfert à des contextes différents (hors du robot). Ces premiers résultats devraient permettre à terme d'améliorer la rééducation neuromotrice robotisée. / While many robotic exoskeletons have been developed for stroke rehabilitation in recent years, there were not yet improvements to the traditional therapy. A key to unleash the potentiality of robotics is to adapt the assistance provided by the robot in order to maximize the subject engagement and effort, by having the robotic therapy evolving with the patient recovery. For this reason, we aim at better understanding the process of reciprocal adaptation in a context of physical Human-Robot Interaction (pHRI). We first developed a new adaptive controller, which assists the subject "as-needed", by regulating its interaction to maximize the human involvement. We further compared different signals driving this adaptation, to better following the functional recovery level of the patients. While the control is performed by the robot, the subject is also adapting his movements, and this adaptation has not yet been studied when dealing with 3D movements and exoskeletons. Therefore, we exposed human motions to distributed force fields, generated by the exoskeleton at the joint level, to produce specific inter-joint coordination and to analyse the effects of this exposition. With healthy participants, we observed important inter-individual difference, with adaptation to the fields in 21% of the participants, but post-effects and persisting retention of these in time in 85% of the subjects, together with spatial generalization, and, preliminarily, transfer of the effects outside of the exoskeleton context. This work towards understanding pHRI could provide insights on innovative ways to develop new controllers for improving stroke motor recovery with exoskeletons.

Trotz der fortschreitenden Automatisierung bleibt die menschliche Arbeitskraft in vielen Bereichen unverzichtbar. Durch körperliche Entlastung können tragbare Hilfsmittel wie Exoskelette zu menschenwürdigen Arbeitsbedingungen und zum individuellen Wohlbefinden von Arbeitnehmern beitragen, die unter körperlich anspruchsvollen Bedingungen arbeiten. Daher gewinnt die Exoskelett-Technologie zunehmend an Bedeutung, obwohl ihr Einsatz in Unternehmen noch nicht weit verbreitet ist. Bestehende Frameworks liefern Erkenntnisse über die zugrundeliegenden Facetten der Akzeptanz und kritischen Aspekte für die Entwicklung (z. B. Tragekomfort, Kompatibilität mit den Arbeitsaufgaben) sowie deren Implementierung (z. B. Eingewöhnungszeit, organisatorische Perspektive). Die Forschung hat sich jedoch hauptsächlich auf die technische Umsetzung und die Benutzerfreundlichkeit konzentriert, wobei die physischen Aspekte in erster Linie durch die Ergonomie adressiert wurden und das Nutzererleben nicht umfassend berücksichtigt wurde. Mehrere Studien haben gezeigt, dass positive Erfahrungen für ein lebenswertes Arbeitsumfeld entscheidend sind; sie können das Wohlbefinden, die Motivation und die Leistung steigern sowie die Personalfluktuation senken. Dieses Forschungsvorhaben hebt die Relevanz des Nutzererlebnisses mit besonderem Augenmerk auf die körperlichen Dimensionen hervor. In einem ersten Schritt zielt das Forschungsprojekt darauf ab, den Körper innerhalb der Exoskelett- Forschung zu kontextualisieren und um ein konzeptionelles Framework zu strukturieren. Dieses wird als Ausgangspunkt dienen, um zu beschreiben, wie sich die Erfahrung mit dem Exoskelett entfaltet und wie sich seine verschiedenen Aspekte mit der Körperlichkeit des Benutzers verflechten. Die zweite Phase des geplanten Forschungsprojekts befasst sich mit der subjektiven Erfahrung mit Exoskeletten durch teilstandardisierte Interviews, die in der tatsächlichen Arbeitsumgebung der Benutzer durchgeführt werden. In dieser Phase wird der Schwerpunkt darauf liegen, zu verstehen, wie die Körperlichkeit das Nutzererleben beeinflusst, und zu untersuchen, wie die Exoskelett-Technologie die Beziehung der Benutzer zu ihrem Körper und ihre Selbstwahrnehmung beeinflusst. Auf der Grundlage der Ergebnisse der qualitativen Studie soll in der letzten Phase des Forschungsprojekts ein quantitativer Fragebogen mit besonderem Schwerpunkt auf körperlichen Aspekten des Erlebens entwickelt werden. Dieser soll bestehende Fragebögen zur Nutzererleben und -akzeptanz ergänzen. Schließlich wird das Promotionsprojekt wichtige Erkenntnisse für die systematische Analyse und Bewertung des Nutzererlebens mit Exoskeletten im professionellen Kontext liefern. Zur besseren Lesbarkeit wird in dieser Arbeit das generische Maskulinum verwendet. Die in dieser Publikation verwendeten Personenbezeichnungen beziehen sich – sofern nicht anders kenntlich gemacht – auf alle Geschlechter.:Abstrakt Einführung 1.1 Definition und Klassifizierung von Exoskeletten 1.2 Der Einsatzweck von Exoskeletten Die Nutzerperspektive in der Erforschung von Exoskeletten am Arbeitsplatz 2.1 Akzeptanzfameworks von Exoskeletten am Arbeitsplatz 2.2 Forschungslücke Theoretischer Rahmen 3.1 Der Körper als Grundlage unseres Erlebens 3.2 Erleben in der Produktentwicklung berücksichtigen: User Experience Design 3.3 Verkörpertes Erleben von Exoskeletten Zielsetzung, Forschungsfragen und Methoden 4.1 Kontextualisierung des Körpers innerhalb der Exoskelettforschung (Phase 1) 4.2 Qualitative Studie zu verkörperten Dimensionen der User Experience (Phase 2) 4.3 Entwicklung eines quantitativen User Experience Fragebogens mit Schwerpunkt auf körperlichen Aspekten (Phase 3) Potenzial Danksagung Kontakt Literaturverzeichnis

Digital human avatars, which are an emergent branch of digital human model technology, are showing their relevance outside ergonomics, entertainment, and social communication, where most of its roots are placed, but in the broader scientific and technology landscape. In the context of research, avatars, or digital human modeling serve not only as a comprehensive research field of its own, but also as an important tool for conducting scientific research and practicing science communication. Meanwhile, at the practical side, the use of avatars can be seen in more and more research and development processes, as product-service systems such as wearables and exoskeletons become ever closer to the human body. In addition, the increasing importance of virtual environments and digital twins also demands more insight from academic research on avatars and digital humans. In contrast to the increasing popularity of avatar technologies, adoption outside of its origins are scarce and unstructured, which hinders the quality and relevance of research projects, as well as raising the resources required for technological innovation in above-mentioned areas. This article aims to present the potential causes of this discrepancy through field observation at scientific institutes and in design practice and review relevant research works. Subsequently, research questions and hypothesis for further research are derived, including empirical studies. Ultimately, this research should support utilizing and adapting avatar technology and thus provide valuable insight for designers and scientists, to develop meaningful technology.:Abstract Introduction Digital Human Modeling Avatar Challenges of Working with Avatars In Contact with DHM and Avatar Design Development Research Studies Science Communication Classification Attempt of Avatar and DHM in Design and Research Observed Problems and Potentials Conclusion Potential Research Questions Outlook Kontakt Literaturverzeichnis

Les problèmes neurologiques dus aux AVC et aux lésions de la moelle épinière ainsi que la faiblesse des muscles squelettiques peuvent considérablement affecter les capacités motrices des personnes infirmes ou âgées. Les solutions traditionnellement utilisées pour l’assistance et le traitement de ces personnes dépendantes, sont relativement coûteuses; en termes de prise charge, elles impliquent, pour les aidants et les services de santé, des efforts humains et des moyens financiers importants. Dans ce cadre, la robotique apparaît comme une solution bien adaptée et prometteuse pour développer des systèmes d’assistance permettant d’améliorer l’autonomie des personnes dépendantes. Les exosquelettes des membres inférieurs sont des robots portables, destinés à être utilisés en tant que dispositifs d’aide à la mobilité pour augmenter les capacités motrices des sujets porteurs, ou comme auxiliaires de rééducation neuromusculaire. Ce domaine de recherche a fait l’objet, ces dernières années, d’un intérêt grandissant au sein de la communauté robotique. Du fait qu’un exosquelette est caractérisé par une interaction physique et cognitive directe avec son porteur, sa fonction principale est de fournir une assistance adaptée aux capacités sensorimotrices du sujet porteur. Il est, par conséquent, nécessaire de développer des stratégies de commande basées sur l’intention de mouvement du porteur. Du point de vue de l’exosquelette, les contacts physiques avec le sujet porteur ou l’environnement sont considérés comme des perturbations affectant la bonne réalisation des mouvements désirés du porteur. Ces perturbations doivent être également être prises en compte lors de la conception des stratégies de commande.Dans cette thèse, nous proposons trois stratégies de commandes assistives pour les exosquelettes des membres inférieurs. Deux modes d’assistance sont étudiés ici: le mode passif où le sujet dispose de capacités motrices très limitées et ne développe quasiment aucun effort, et le mode actif-aidé où le sujet possède certaines capacités motrices mais qui sont insuffisantes pour réaliser de manière autonome un mouvement désiré. Dans la première stratégie de commande, le sujet est supposé être en mode passif. Une commande robuste par modes glissants, basée sur un observateur non-linéaire de perturbations (Nonlinear Disturbance Observer (NDO)), est développée pour garantir un suivi précis des mouvements désirés de l’articulation du genou. Dans la deuxième stratégie de commande, nous proposons une structure de commande en impédance active non-linéaire où le sujet est supposé être en mode actif-aidé. Cette stratégie de commande assistive est utilisée pour assister le porteur dans la réalisation d’activités physiques mono-tâche. L’évaluation des performances de la structure proposée sont étudiées dans le cadre de deux activités: la flexion/extension du genou et le transfert assis-debout. Enfin, la troisième stratégie de commande proposée est une commande contextualisée pour assister le porteur dans ses activités de marche. Nous proposons une approche permettant de détecter le mode de marche dès le début d’un nouveau pas, en utilisant les caractéristiques cinématiques du porteur, à savoir la position et la vitesse des pieds lors de la marche. L’approche de détection du mode de marche rend possible la sélection des modèles cinématique et cinétique appropriés pour chaque mode. Différentes stratégies d’assistance sont développées: compensation partielle de la gravité, assistance basée impédance de type ressort/amortisseur virtuel et assistance de type impédance nulle. Ces stratégies sont combinées différemment selon le mode de marche estimé. Pour évaluer les performances des stratégies de commande proposées, deux prototypes d’exosquelettes des membres inférieurs ont été développés: l’exosquelette de l’articulation du genou EICOSI, et l’exosquelette des membres inférieurs E-ROWA / Neurological problems caused by stroke and spinal cord injury as well as the weakness of skeletal muscles may considerably affect the motor ability of the elderly and infirm. Traditional solutions of assistance and treatment for these dependent people are relatively costly; they generally need significant human efforts and financial resources from caregivers and national healthcare centers. In this context, robotics appears as a convenient and promising solution to develop assistive systems for improving the autonomy of dependent people. Lower limb exoskeletons are wearable robots that can be used as assistive devices for augmenting the wearer’s motor ability and/or improving the effectiveness of neuromuscular rehabilitation. Recently, they have attracted increasing interest in the robotics community. As lower limb exoskeletons exhibit close cognitive and physical interactions with the wearer, a fundamental function is to provide appropriate power assistance by taking into account the wearer’s sensor-motor ability. Consequently, it is of great importance to develop human intention based control strategies. Meanwhile, from the exoskeleton’s viewpoint, the physical contacts with the wearer and the environment are both considered disturbances affecting the accomplishment of the wearer’s desired movements. These disturbances should also be taken into account during the design of control strategies.In this thesis, we develop three assistive control strategies for lower limb exoskeletons. In the meantime, two modes of assistance are studied: the passive mode in which the wearer has very limited motor ability as well as the active-assisted mode in which the wearer has certain motor ability but that is insufficient to perform autonomously a desired physical movement. In the first control strategy, the wearer is assumed to be in passive mode. A robust sliding mode control approach is developed based on the use of a nonlinear disturbance observer, in order to guarantee accurate tracking performance of desired knee joint movements. In the second control strategy, we propose a human intention based nonlinear active impedance control structure, in which the wearer is in an active-assisted mode. This assistive strategy is used to assist the wearer in single-task physical activities, for instance, the knee joint flexion/ extension movement. We investigate the performance of the proposed control structure based on two case studies: knee-joint flexion/extension movements and sit-to-stand movements. Finally, the third control strategy is developed to assist the wearer during walking activities. We propose a new approach that is able to detect the gait mode at the early beginning of a new step using the kinematic features namely velocity and position of the wearer’s feet during walking. The proposed gait mode detection approach makes it possible to select appropriate kinematic and kinetic models for each gait mode. Different assistive strategies are developed: partial gravity compensation, virtual-spring/damper based impedance assistance and zero impedance assistance. These strategies are combined differently according to the estimated wearer’s gait mode. To evaluate the proposed control strategies, two lower limb exoskeleton prototypes are developed: a knee joint lower limb exoskeleton, called EICOSI, and a full lower limb exoskeleton, called E-ROWA

Der Beitrag beschreibt erlebnisorientierte Aspekte der Entwicklung von körpergetragenen technischen Assistenzsystemen im industriellen Einsatz. Dabei wurde untersucht, wie Akzeptanz für technische Assistenzsysteme entsteht und was die körpernahe Produktinteraktion für das Nutzererleben bedeutet. Neben herkömmlichen Methoden aus der Design- und empirischen Sozialforschung wurden aus der Akzeptanzforschung bekannte Modelle im Hinblick auf Nutzerinteraktion und -erleben untersucht. Die Erkenntnisse können nach Ansicht der Autoren als hilfreicher und allgemein anwendbarer Teil des Entwicklungsprozesses im hoch innovativen technischen Umfeld betrachtet werden.