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Tesis:

Advanced control systems for upper-limb rehabilitation exoskeletons

  • Autor: PONT ESTEBAN, David

  • Título: Advanced control systems for upper-limb rehabilitation exoskeletons

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72817/

  • Director/a 1º: FERRE PÉREZ, Manuel

  • Resumen: This dissertation frames the design of control systems, i.e., controllers, and hardware and software platforms, for upper-limb rehabilitation exoskeletons. First, the developed electronics and real-time software platforms are presented. These systems serve as the foundation for the implementation of control architectures for diferent exoskeletons aiming at several rehabilitation targets. Two control approaches are proposed for upper-limb passive rehabilitation, a type of rehabilitation in which the subject leaves their limb inert and it is mobilized according to a set of predefned trajectories. On the one hand, a novel cascade PI-SMC (sliding mode controller) NDO-based (nonlinear disturbance observer) motion controller, which accounts for model uncertainties, user anatomical variability and external disturbances, is presented. On the other hand, a controller based on a geometrical method which removes the need of on-body sensors for shoulder orientation estimation is developed. Active rehabilitation, in which the interaction between the subject and the robot is used in the control loop, is addressed through the development of force, impedance and gravity compensation controllers for elbow and shoulder rehabilitation. The developed controllers are compared to state-of-the art alternatives through the obtention of control metrics. Additionally, results of experiments involving patients are presented, which allow to validate the proposed technology. Discussions on relevant factors to consider for control design applied to exoskeletons, such as application targets or the available actuation system, are provided. Finally, a software method to limit current based on a predictor approach for DC motors is presented. This algorithm protects users and actuators from abusive application of external force during human-robot interaction in exoskeleton applications. RESUMEN Esta tesis se centra en el diseño de sistemas de control de exoesqueletos para la rehabilitación de extremidades superiores, lo cual engloba el diseño de controladores y de sistemas electrónicos y software. En primer lugar, se presenta el sistema electrónico diseñado, junto con el software de tiempo real. La plataforma diseñada constituye una base robusta, eficiente y modular para la implementación de arquitecturas de control enfocadas a distintos tipos de rehabilitación. Para la rehabilitación pasiva de las extremidades superiores, en la que el sujeto deja su extremidad inerte y ésta es movilizada acorde a una serie de trayectorias predefinidas, se proponen dos enfoques de control distintos. Por un lado, se ha diseñado un nuevo controlador robusto a las incertidumbres en el modelo, la variabilidad entre usuarios y las perturbaciones externas. Se basa en un control en cascada PI-SMC y un observador no-lineal de perturbaciones (NDO). Por otro lado, se propone un modelo geométrico para la estimación de la orientación del hombro que permite eliminar la necesidad de colocar sensores de movimiento en el cuerpo del usuario. La rehabilitación activa, en la cual la interacción entre robot y usuario se incluye en el bucle de control, es tratada a través del diseño de controladores de fuerza, de impedancia y de compensación del par gravitatorio para distintos exoesqueletos aplicados a tareas de rehabilitación de codo y hombro. Los controladores diseñados se han comparado con otras estrategias presentadas en el estado del arte a través de distintas métricas de control. Adicionalmente, se muestran los resultados obtenidos en experimentos con pacientes, lo cual permite validar la tecnología propuesta. A lo largo del documento, se plantean debates sobre los aspectos más relevantes a considerar en el desarrollo de sistemas de control para exoesqueletos, como la aplicación objetivo y el sistema de actuación disponible. Por último, se presenta un método software basado en un predictor para la limitación de corriente de motores DC. Este algoritmo protege a los usuarios y los motores frente a aplicaciones externas excesivas de par durante la interacción entre humano y robot en aplicaciones con exoesqueletos.