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.

Robôs de reabilitação como próteses ativas e exoesqueletos necessitam de atuadores capazes de atender certos requisitos como baixa impedância de saída, backdrivability, geração de torques grandes e precisos, e uma estrutura leve e compacta. Este trabalho apresenta o projeto de um Atuador Elástico em Série rotacional (AESr) para ser usado em uma prótese ativa para auxiliar na flexão/extensão da articulação do joelho durante a fisioterapia. O dispositivo é constituído de um motor de corrente contínua, um redutor de velocidade do tipo coroa e rosca sem-fim e uma mola torcional personalizada. Uma vez que o elemento elástico é o componente mais importante no projeto do AESr, um procedimento de análise baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF) é utilizado para cumprir os requisitos definidos para a reabilitação do joelho. Com uma massa total de 2,53 Kg, é possível montar diretamente o atuador proposto em uma estrutura de prótese de joelho. Controladores de torque e impedância são implementados para assegurar uma interação segura com o paciente, permitindo que novas estratégias de reabilitação sejam avaliadas. As especificações do projeto bem como o desempenho dos controladores são validados experimentalmente. / Wearable robots, like prostheses, active orthosis and exoskeletons need of actuators able to meet certain requirements as low output impedance, backdrivability, precise and large torque generation, and a compact and lightweight design. This work presents the design of a rotary Series Elastic Actuator (rSEA) to be used in an active orthosis to assist in flexion/extension of the knee joint during physical therapy. The device includes a DC motor, a worm gear and a customized torsion spring. Since the elastic element is the most important component in the design of the rSEA, an analysis procedure based on Finite Element Method (FEM) is used in order to meet the requirements for the specific application. With a total weight of 2.53 kg, it is possible to directly mount the actuator on the frame of a knee orthosis. Torque and impedance controllers are implemented to ensure secure interaction with the patient and enable new strategies for rehabilitation. The design specifications as well as the controllers performance are verified by experiments.

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.

Robôs de reabilitação como próteses ativas e exoesqueletos necessitam de atuadores capazes de atender certos requisitos como baixa impedância de saída, backdrivability, geração de torques grandes e precisos, e uma estrutura leve e compacta. Este trabalho apresenta o projeto de um Atuador Elástico em Série rotacional (AESr) para ser usado em uma prótese ativa para auxiliar na flexão/extensão da articulação do joelho durante a fisioterapia. O dispositivo é constituído de um motor de corrente contínua, um redutor de velocidade do tipo coroa e rosca sem-fim e uma mola torcional personalizada. Uma vez que o elemento elástico é o componente mais importante no projeto do AESr, um procedimento de análise baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF) é utilizado para cumprir os requisitos definidos para a reabilitação do joelho. Com uma massa total de 2,53 Kg, é possível montar diretamente o atuador proposto em uma estrutura de prótese de joelho. Controladores de torque e impedância são implementados para assegurar uma interação segura com o paciente, permitindo que novas estratégias de reabilitação sejam avaliadas. As especificações do projeto bem como o desempenho dos controladores são validados experimentalmente. / Wearable robots, like prostheses, active orthosis and exoskeletons need of actuators able to meet certain requirements as low output impedance, backdrivability, precise and large torque generation, and a compact and lightweight design. This work presents the design of a rotary Series Elastic Actuator (rSEA) to be used in an active orthosis to assist in flexion/extension of the knee joint during physical therapy. The device includes a DC motor, a worm gear and a customized torsion spring. Since the elastic element is the most important component in the design of the rSEA, an analysis procedure based on Finite Element Method (FEM) is used in order to meet the requirements for the specific application. With a total weight of 2.53 kg, it is possible to directly mount the actuator on the frame of a knee orthosis. Torque and impedance controllers are implemented to ensure secure interaction with the patient and enable new strategies for rehabilitation. The design specifications as well as the controllers performance are verified by experiments.