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

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

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.

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.

The work presented in this paper aims at developing a hydraulic actuation system for an ankle exoskeleton that is able to deliver a peak power of 250 W, with a maximum torque of 90 N.m and maximum speed of 320 deg/s. After justifying the choice of a servo hydraulic actuator (SHA) over an electro hydrostatic actuator (EHA) for the targeted application, some test results of a first functional prototype are presented. The closed-loop unloaded displacement frequency response of the prototype shows a bandwidth ranging from 5 Hz to 8 Hz for displacement amplitudes between +/-5mm and +/- 20mm, thus demonstrating adequate dynamic performance for normal walking speed. Then, a detailed design is proposed as a combination of commercially available components (in particular a miniature servo valve and a membrane accumulator) and a custom aluminium manifold that incorporates the hydraulic cylinder. The actuator design achieves a total weight of 1.0 kg worn at the ankle.

<p dir="ltr">Over 150,000 people undergo lower-extremity amputations yearly in the United States. In recent years, multiple efforts have been made to improve the human-robot interaction between amputees and active lower limb prostheses. Using lightweight wearable technologies has been a viable solution to implement algorithms that can estimate gait kinematics and prosthesis users’ intent. Examples of wearable technologies include inertial measurement units, strain gauges, and electromyography sensors. Kinematic and force data is inputted into an Error-State Kalman filter to estimate the inversion-eversion, external-internal, and dorsiflexion-plantarflexion ankle angle. The filter tracked the ankle angle with an accuracy of 0.7724°, 0.8826°, and 1.3520°, respectively. The gait phase was estimated using a linear regression model based on a shank kinematics ground truth pattern with an average normalized accuracy of 97.79 %. A numerical simulation of a gait emulator in the form of a 3-Revolute-Prismatic-Revolute (3-RPR) manipulator. The gait emulator can test lower limb prostheses independent of human subjects, eliminating many hurdles associated with human subject testing. The manipulator was simulated with two control strategies: a traditional PID and a hybrid PID + Active Force Control controller (AFC). The hybrid PID+AFC provided higher accuracy in tracking the desired end-effector trajectory due to improved disturbance rejection. A low-cost surface electromyography (sEMG) platform was developed to robustly acquire sEMG signals, with an overall component cost of 35.06 US$. The sEMG platform integrates directly into a Micro:bit microcontroller through an expansion board. During testing with human subjects, sEMG Micro:bit platform had a reported average signal-to-noise ratio of 24.7 dB.</p>