A new hand training system has been designed and built to help clinicians administrate hand therapy to stroke patients. It uses pneumatics to actuate the fingers from the dorsal side of the hand in order to provide training for activities of daily living. Before the device is tested in a clinical trial, it’s safety, comfort and reliability needed to be established via trials on 30 healthy individuals. A comfort survey that was issued to the users indicated that they found the device comfortable regardless of age, gender, weight and hand length. The sensor data that was gathered during testing indicated that the readings were reliable and the device had minimal impact on the subjects' normal range of motion. A bio-mechanical model, validated through experimentation, was also created to estimate joint angles of the index finger during the trials to ensure that the device put the joints of the finger in bio-mechanically safe angles. / Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada

O Acidente Vascular Cerebral (AVC) é uma das maiores preocupações da saúde no mundo, sendo a segunda maior causa de morte no mundo e a terceira maior de incapacitação. Sendo a cognição uma das capacidades que são afetadas pelo AVC, é comum o uso de exames para verificar em que nível de estado mental o paciente se encontra. Os pacientes que apresentam incapacidades passam por um longo e complexo programa de reabilitação. Esses indivíduos tornam-se limitados na realização das Atividades de Vida Diárias (AVDs), como caminhar, devido a problemas envolvendo alterações da motricidade em um lado do corpo. O tornozelo é uma articulação importante pois está diretamente ligada à capacidade de caminhar e se manter em pé. Existem diversos exames cognitivos e motores para avaliar o dano causado aos indivíduos, bem como sua melhora ao longo da terapia, porém a área da saúde carece de ferramentas que possam unir a avaliação com os recursos de reabilitação. Portanto, este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de um jogo voltado para reabilitação motora para o membro inferior e cognitiva para pessoas que sofreram AVC baseado em um exame de análise cognitiva e interface com temática familiar, utilizando um mecanismo projetado especificamente para reabilitação de tornozelo. O principal objetivo deste projeto é desenvolver um jogo que o desempenho do jogador se correlacione com o desempenho do mesmo no Addenbrooke\'s Cognitive Examination Revised (ACE-R). Pensando no público de maior incidência do AVC, o jogo tem uma temática de familiaridade visando a fácil identificação e imersão do indivíduo no processo de reabilitação, para esse fim foi desenvolvido um jogo baseado em cartas de baralho. Dessa forma o projeto focou em três frentes principais: a articulação a ser reabilitada, a patologia e o perfil de usuário. Este trabalho seguiu uma metodologia para seu desenvolvimento desde a fase de estratégia, especificações e planejamento, concepção e homologação. Os resultados se mostraram satisfatórios dentro dos objetivos estabelecidos dando abertura para diversas frentes de estudo em relação a desenvolvimento de jogos, imersão e desempenho de indivíduos em jogos virtuais, cinemática do tornozelo e níveis cognitivos. Este trabalho também pode ser utilizado como guia para novos desenvolvimentos de jogos sérios integrado com mecanismos robóticos para reabilitação. / The Cerebrovascular Accident (CVA) or Stroke is one of the greatest health concerns in the world, being the second largest cause of death in the world and the third largest cause of disability. Since cognition is one of the capacities that are affected by stroke, it is common to use tests to find out what level of the patient\'s mental state is. Patients with disabilities experiences need a long and complex rehabilitation program. They become limited in performing Daily Life Activities (DLA), such as walking, due to problems involving the movement alterations in one body\'s side. The ankle is directly linked to to walk and stand ability. There are several cognitive and motor tests to evaluate the damage caused to subjects, as well as their improvement throughout therapy, but the health care area lacks tools that can integrate the evaluation with the rehabilitation tools. Therefore, this project aims to develop an ankle rehabilitation game for people who have suffered from stroke, based on a cognitive analysis examination that has interface with family thematic, using a mechanism designed specifically for ankle rehabilitation. The main goal of this project is to develop a specifically game that correlates with Addenbrookes Cognitive Examination (ACE-R). Thinking about the audience of higher incidence of CVA, the game will have a familiar theme for the easy identification and immersion of the individual in the rehabilitation process, for this purpose a game based on playing cards was developed. In this way the project was focused on three main fronts: the articulation, the pathology and the user\'s profile. This work followed a methodology to be developed since its strategy, specifications and planning, conception, testing and homologation. The results proved to be satisfactory within the stated objectives, opening up several study fronts in relation to game development, immersion and performance of individuals in virtual games, ankle kinematics and cognitive levels. This work also can be used as a guide for new serious game development integrated with robotic mechanisms for rehabilitation.

Este trabalho apresenta um método de estimativa de torque do joelho baseado em sinais eletromiográficos (EMG) durante terapia de reabilitação robótica. Os EMGs, adquiridos de cinco músculos envolvidos no movimento de flexão e extensão do joelho, são processados para encontrar as ativações musculares. Em seguida, mediante um modelo simples de contração muscular, são calculadas as forças e, usando a geometria da articulação, o torque do joelho. As funções de ativação e contração musculares possuem parâmetros limitados que devem ser calibrados para cada usuário, sendo o ajuste feito mediante a minimização do erro entre o torque estimado e o torque medido na articulação usando a dinâmica inversa. São comparados dois métodos iterativos para funções não-lineares como técnicas de otimização restrita para a calibração dos parâmetros: Gradiente Descendente e Quasi-Newton. O processamento de sinais, calibração de parâmetros e cálculo de torque estimado foram desenvolvidos no software MATLAB®; o cálculo de torque medido foi feito no software OpenSim com sua ferramenta de dinâmica inversa. / This work presents a method for knee torque estimation based on electromyographic signals (EMG) during robotic rehabilitation therapy. EMG, taken from five muscles acting during flexion and extension movements of the knee joint, are processed to get the muscle activations. Then, through a simple model of muscle contraction, the forces are computed and knee torque estimated using the joint geometry. Muscle activation and muscle contraction functions have bounded parameters to be adjusted for each user. This adjustment is made by minimizing the error between the estimated torque and the measured torque in the joint computed via inverse dynamics. Two iterative methods for constrained nonlinear optimization are compared, escending Gradient and Quasi-Newton. Signal processing, parameters calibration and estimated torque calculation are developed in the MATLAB® software. Measured torque calculation is performed on OpenSim software using the dynamic inverse tool.

Este trabalho apresenta um método de estimativa de torque do joelho baseado em sinais eletromiográficos (EMG) durante terapia de reabilitação robótica. Os EMGs, adquiridos de cinco músculos envolvidos no movimento de flexão e extensão do joelho, são processados para encontrar as ativações musculares. Em seguida, mediante um modelo simples de contração muscular, são calculadas as forças e, usando a geometria da articulação, o torque do joelho. As funções de ativação e contração musculares possuem parâmetros limitados que devem ser calibrados para cada usuário, sendo o ajuste feito mediante a minimização do erro entre o torque estimado e o torque medido na articulação usando a dinâmica inversa. São comparados dois métodos iterativos para funções não-lineares como técnicas de otimização restrita para a calibração dos parâmetros: Gradiente Descendente e Quasi-Newton. O processamento de sinais, calibração de parâmetros e cálculo de torque estimado foram desenvolvidos no software MATLAB®; o cálculo de torque medido foi feito no software OpenSim com sua ferramenta de dinâmica inversa. / This work presents a method for knee torque estimation based on electromyographic signals (EMG) during robotic rehabilitation therapy. EMG, taken from five muscles acting during flexion and extension movements of the knee joint, are processed to get the muscle activations. Then, through a simple model of muscle contraction, the forces are computed and knee torque estimated using the joint geometry. Muscle activation and muscle contraction functions have bounded parameters to be adjusted for each user. This adjustment is made by minimizing the error between the estimated torque and the measured torque in the joint computed via inverse dynamics. Two iterative methods for constrained nonlinear optimization are compared, escending Gradient and Quasi-Newton. Signal processing, parameters calibration and estimated torque calculation are developed in the MATLAB® software. Measured torque calculation is performed on OpenSim software using the dynamic inverse tool.

O Acidente Vascular Cerebral (AVC) é uma das maiores preocupações da saúde no mundo, sendo a segunda maior causa de morte no mundo e a terceira maior de incapacitação. Sendo a cognição uma das capacidades que são afetadas pelo AVC, é comum o uso de exames para verificar em que nível de estado mental o paciente se encontra. Os pacientes que apresentam incapacidades passam por um longo e complexo programa de reabilitação. Esses indivíduos tornam-se limitados na realização das Atividades de Vida Diárias (AVDs), como caminhar, devido a problemas envolvendo alterações da motricidade em um lado do corpo. O tornozelo é uma articulação importante pois está diretamente ligada à capacidade de caminhar e se manter em pé. Existem diversos exames cognitivos e motores para avaliar o dano causado aos indivíduos, bem como sua melhora ao longo da terapia, porém a área da saúde carece de ferramentas que possam unir a avaliação com os recursos de reabilitação. Portanto, este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de um jogo voltado para reabilitação motora para o membro inferior e cognitiva para pessoas que sofreram AVC baseado em um exame de análise cognitiva e interface com temática familiar, utilizando um mecanismo projetado especificamente para reabilitação de tornozelo. O principal objetivo deste projeto é desenvolver um jogo que o desempenho do jogador se correlacione com o desempenho do mesmo no Addenbrooke\'s Cognitive Examination Revised (ACE-R). Pensando no público de maior incidência do AVC, o jogo tem uma temática de familiaridade visando a fácil identificação e imersão do indivíduo no processo de reabilitação, para esse fim foi desenvolvido um jogo baseado em cartas de baralho. Dessa forma o projeto focou em três frentes principais: a articulação a ser reabilitada, a patologia e o perfil de usuário. Este trabalho seguiu uma metodologia para seu desenvolvimento desde a fase de estratégia, especificações e planejamento, concepção e homologação. Os resultados se mostraram satisfatórios dentro dos objetivos estabelecidos dando abertura para diversas frentes de estudo em relação a desenvolvimento de jogos, imersão e desempenho de indivíduos em jogos virtuais, cinemática do tornozelo e níveis cognitivos. Este trabalho também pode ser utilizado como guia para novos desenvolvimentos de jogos sérios integrado com mecanismos robóticos para reabilitação. / The Cerebrovascular Accident (CVA) or Stroke is one of the greatest health concerns in the world, being the second largest cause of death in the world and the third largest cause of disability. Since cognition is one of the capacities that are affected by stroke, it is common to use tests to find out what level of the patient\'s mental state is. Patients with disabilities experiences need a long and complex rehabilitation program. They become limited in performing Daily Life Activities (DLA), such as walking, due to problems involving the movement alterations in one body\'s side. The ankle is directly linked to to walk and stand ability. There are several cognitive and motor tests to evaluate the damage caused to subjects, as well as their improvement throughout therapy, but the health care area lacks tools that can integrate the evaluation with the rehabilitation tools. Therefore, this project aims to develop an ankle rehabilitation game for people who have suffered from stroke, based on a cognitive analysis examination that has interface with family thematic, using a mechanism designed specifically for ankle rehabilitation. The main goal of this project is to develop a specifically game that correlates with Addenbrookes Cognitive Examination (ACE-R). Thinking about the audience of higher incidence of CVA, the game will have a familiar theme for the easy identification and immersion of the individual in the rehabilitation process, for this purpose a game based on playing cards was developed. In this way the project was focused on three main fronts: the articulation, the pathology and the user\'s profile. This work followed a methodology to be developed since its strategy, specifications and planning, conception, testing and homologation. The results proved to be satisfactory within the stated objectives, opening up several study fronts in relation to game development, immersion and performance of individuals in virtual games, ankle kinematics and cognitive levels. This work also can be used as a guide for new serious game development integrated with robotic mechanisms for rehabilitation.

No / Purpose: We drew on an interdisciplinary research design to examine stroke survivors’ experiences of living with stroke and with technology in order to provide technology developers with insight into values, thoughts and feelings of the potential users of a to-be-designed robotic technology for home-based rehabilitation of the hand and wrist. Method: Ten stroke survivors and their family carers were purposefully selected. On the first home visit, they were introduced to cultural probe. On the second visit, the content of the probe packs were used as prompt to conduct one-to-one interviews with them. The data generated was analysed using thematic analysis. A third home visit was conducted to evaluate the early prototype. Results: User requirements were categorised into their network of relationships, their attitude towards technology, their skills, their goals and motivations. The user requirements were used to envision the requirements of the system including providing feedback on performance, motivational aspects and usability of the system. Participants’ views on the system requirements were obtained during a participatory evaluation. Conclusion: This study showed that prior to the development of technology, it is important to engage with potential users to identify user requirements and subsequently envision system requirements based on users’ views.

Over the last decades, the worldwide increase in cases of neuromotor health issues, due to overall population aging, motivated a growing research interest in improving rehabilitation processes with robotics. The performed studies opened the possibility to include other auxiliary technologies in physical and occupational therapy, like virtual reality and remote interaction between patients and therapists. Although there are verified and potential benefits to rehabilitation provided by these techniques, there are still few attempts towards tooling and methodology standardization, which could lead to faster developments. This work describes the creation of a proposed common computational platform for robotic rehabilitation studies, with support for virtual games and telecommunication. A preceding literature review helped to determine the requirements and development tools for such multipurpose system. Its modular and configurable design aims to allow components reuse and adaptability to different robotic therapy cases, even ones not initially intended, preventing work duplication. Details about the system\'s structure, components and operation are shown, focusing its provided flexibility. Multiplayer games involving position and force control are also created to test the proposed system in real and simulated environment, in order to demonstrate its usability for application and evaluation of robotic rehabilitation strategies. At the end, the results obtained so far are discussed and considerations about missing points and future developments are made. / Nas últimas décadas, o aumento global nos casos de problemas de saúde neuromotores, devido ao envelhecimento da população, motivou um interesse crescente na pesquisa sobre melhoria de processos de rehabilitação utilizando robótica. Os estudos realizados realizados abriram possibilidade de se incluir outras tecnologias auxiliares na terapia física e ocupacional, como realidade virtual e interação remota entre pacientes e terapeutas. Apesar dos benefícios verificados ou potenciais da aplicação dessas técnicas, ainda há poucas iniciativas no sentido de padronizar ferramentas e metodologias para sua implementação e teste, o que poderia catalisar os avanços na área. Esse trabalho descreve a criação de uma plataforma computacional comum para estudos de Reabilitação Robótica, com suporte a utilização de Jogos Sérios e teleoperação. Uma revisão bibliográfica prévia ajudou a definir os requisitos e ferramentas de desenvolvimento adequadas para tal sistema multipropósito. Seu projeto modular e configurável tem o intuito de permitir reutilização de componentes e sua fácil adaptação a diferentes tipos de terapia, mesmo não inicialmente planejadas, evitando duplicação de trabalho. Jogos multijogador envolvendo controle de força e posição são também criados para testar o sistema proposto em situações reais ou simuladas, de modo a demonstrar sua utilidade para aplicação Detalhes de sua estrutura de operação, protocolos de comunicação e componentes são mostrados, destacando-se a flexibilidade oferecida. Testes simples de viabilidade com indivíduos saudáveis são realizados, a fim de demonstrar sua utilidade para aplicação e avaliação de estratégias de reabilitação robótica. Ao fim, os resultados obtidos até então são discutidos, e considerações sobre informações ainda faltantes e trabalhos futuros são feitas.

In robotic rehabilitation therapies, knowledge of human joint torques is important for patient safety, to provide a reliable data for clinical assessment and to increase control performance of the device, nevertheless, its measurement can be complex or have a highcost implementation. The most of techniques for torque estimation have been developed for upper limb robotic rehabilitation devices, in addition, they typically require detailed anthropometric and musculoskeletal models. In this dissertation is presented the ankle torque estimation for the Anklebot robot, the estimation uses an ankle/Anklebot dynamic model that consider the ankle joint angular displacement and velocity measurement, its mechanical impedance parameters are obtained through a second-order modeled mechanical impedance of the ankle and an identification of frictional and gravitational torques. Three approaches for the ankle torque estimation were proposed to be implemented in the Anklebot robot, the Generalized Momentum, the Kalman filter and finally a combination of both the above mentioned approaches. The validation of such approaches was developed first on a physical mockup configured to reproduce the human ankle joint movement, by assessing its performances, the Kalman filter approach was selected to be implemented on a voluntary subject. A set of experiments were performed considering the physical activity that the subject may realize when interacting with the Anklebot, the developed ankle torque estimation proved to be successful for passive torque and in most of the proposed scenarios where active torque is performed. / Em terapias de reabilitação robótica, o conhecimento dos torques da articulação humana é importante para a segurança do paciente, para fornecer dados confiáveis na avaliação clínica e aumentar o desempenho de controle do dispositivo, no entanto, sua medição pode ser complexa ou costoso de implementar. A maioria das técnicas de estimativa de torque tem sido desenvolvidas para dispositivos de reabilitação robótica de membros superiores, além disso, eles normalmente requerem modelos antropométricos e musculoesqueléticos detalhados. Nesta dissertação é apresentada a estimativa do torque do tornozelo no robô Anklebot, a estimação utiliza um modelo dinâmico tornozelo + Anklebot o qual considera a medição da posição e velocidade angular do tornozelo, os parametros de impedancia mecânica do tornozelo são obtidos por meio de um modelo simples de segunda ordem e são identificados os torques gravitacionais e de atrito. Três abordagens para a estimativa de torque de tornozelo foram propostas para serem implementadas, o momento generalizado, o filtro de Kalman e, finalmente, uma abordagem que combina tanto o momento generalizado e o filtro de Kalman. A validação de tais abordagens foi desenvolvida primeiro em um mock-up físico configurado para reproduzir o movimento articular do tornozelo humano, avaliando seus desempenhos. A segunda abordagem proposta foi selecionada para ser implementada em um usuário voluntário. Um conjunto de experimentos foi realizado considerando a atividade física que o sujeito pode realizar ao interagir com o Anklebot, a estimativa desenvolvida de torque de tornozelo demostrou ser bem sucedida para o torque passivo e na maioria dos cenários propostos onde o torque ativo é realizado.

In robotic rehabilitation therapies, knowledge of human joint torques is important for patient safety, to provide a reliable data for clinical assessment and to increase control performance of the device, nevertheless, its measurement can be complex or have a highcost implementation. The most of techniques for torque estimation have been developed for upper limb robotic rehabilitation devices, in addition, they typically require detailed anthropometric and musculoskeletal models. In this dissertation is presented the ankle torque estimation for the Anklebot robot, the estimation uses an ankle/Anklebot dynamic model that consider the ankle joint angular displacement and velocity measurement, its mechanical impedance parameters are obtained through a second-order modeled mechanical impedance of the ankle and an identification of frictional and gravitational torques. Three approaches for the ankle torque estimation were proposed to be implemented in the Anklebot robot, the Generalized Momentum, the Kalman filter and finally a combination of both the above mentioned approaches. The validation of such approaches was developed first on a physical mockup configured to reproduce the human ankle joint movement, by assessing its performances, the Kalman filter approach was selected to be implemented on a voluntary subject. A set of experiments were performed considering the physical activity that the subject may realize when interacting with the Anklebot, the developed ankle torque estimation proved to be successful for passive torque and in most of the proposed scenarios where active torque is performed. / Em terapias de reabilitação robótica, o conhecimento dos torques da articulação humana é importante para a segurança do paciente, para fornecer dados confiáveis na avaliação clínica e aumentar o desempenho de controle do dispositivo, no entanto, sua medição pode ser complexa ou costoso de implementar. A maioria das técnicas de estimativa de torque tem sido desenvolvidas para dispositivos de reabilitação robótica de membros superiores, além disso, eles normalmente requerem modelos antropométricos e musculoesqueléticos detalhados. Nesta dissertação é apresentada a estimativa do torque do tornozelo no robô Anklebot, a estimação utiliza um modelo dinâmico tornozelo + Anklebot o qual considera a medição da posição e velocidade angular do tornozelo, os parametros de impedancia mecânica do tornozelo são obtidos por meio de um modelo simples de segunda ordem e são identificados os torques gravitacionais e de atrito. Três abordagens para a estimativa de torque de tornozelo foram propostas para serem implementadas, o momento generalizado, o filtro de Kalman e, finalmente, uma abordagem que combina tanto o momento generalizado e o filtro de Kalman. A validação de tais abordagens foi desenvolvida primeiro em um mock-up físico configurado para reproduzir o movimento articular do tornozelo humano, avaliando seus desempenhos. A segunda abordagem proposta foi selecionada para ser implementada em um usuário voluntário. Um conjunto de experimentos foi realizado considerando a atividade física que o sujeito pode realizar ao interagir com o Anklebot, a estimativa desenvolvida de torque de tornozelo demostrou ser bem sucedida para o torque passivo e na maioria dos cenários propostos onde o torque ativo é realizado.

Over the last decades, the worldwide increase in cases of neuromotor health issues, due to overall population aging, motivated a growing research interest in improving rehabilitation processes with robotics. The performed studies opened the possibility to include other auxiliary technologies in physical and occupational therapy, like virtual reality and remote interaction between patients and therapists. Although there are verified and potential benefits to rehabilitation provided by these techniques, there are still few attempts towards tooling and methodology standardization, which could lead to faster developments. This work describes the creation of a proposed common computational platform for robotic rehabilitation studies, with support for virtual games and telecommunication. A preceding literature review helped to determine the requirements and development tools for such multipurpose system. Its modular and configurable design aims to allow components reuse and adaptability to different robotic therapy cases, even ones not initially intended, preventing work duplication. Details about the system\'s structure, components and operation are shown, focusing its provided flexibility. Multiplayer games involving position and force control are also created to test the proposed system in real and simulated environment, in order to demonstrate its usability for application and evaluation of robotic rehabilitation strategies. At the end, the results obtained so far are discussed and considerations about missing points and future developments are made. / Nas últimas décadas, o aumento global nos casos de problemas de saúde neuromotores, devido ao envelhecimento da população, motivou um interesse crescente na pesquisa sobre melhoria de processos de rehabilitação utilizando robótica. Os estudos realizados realizados abriram possibilidade de se incluir outras tecnologias auxiliares na terapia física e ocupacional, como realidade virtual e interação remota entre pacientes e terapeutas. Apesar dos benefícios verificados ou potenciais da aplicação dessas técnicas, ainda há poucas iniciativas no sentido de padronizar ferramentas e metodologias para sua implementação e teste, o que poderia catalisar os avanços na área. Esse trabalho descreve a criação de uma plataforma computacional comum para estudos de Reabilitação Robótica, com suporte a utilização de Jogos Sérios e teleoperação. Uma revisão bibliográfica prévia ajudou a definir os requisitos e ferramentas de desenvolvimento adequadas para tal sistema multipropósito. Seu projeto modular e configurável tem o intuito de permitir reutilização de componentes e sua fácil adaptação a diferentes tipos de terapia, mesmo não inicialmente planejadas, evitando duplicação de trabalho. Jogos multijogador envolvendo controle de força e posição são também criados para testar o sistema proposto em situações reais ou simuladas, de modo a demonstrar sua utilidade para aplicação Detalhes de sua estrutura de operação, protocolos de comunicação e componentes são mostrados, destacando-se a flexibilidade oferecida. Testes simples de viabilidade com indivíduos saudáveis são realizados, a fim de demonstrar sua utilidade para aplicação e avaliação de estratégias de reabilitação robótica. Ao fim, os resultados obtidos até então são discutidos, e considerações sobre informações ainda faltantes e trabalhos futuros são feitas.