Tesis:
Bio-inspired architecture and strategies for the control of modular exoskeletons
- Autor: PLAZA FLORES, Alberto
- Título: Bio-inspired architecture and strategies for the control of modular 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/74422/
- Director/a 1º: GARCÍA ARMADA, Elena
- Resumen: Nature has always been a source of inspiration for humans in the development and improvement of new technologies.
In the field of robotics, the development of robots with legs is inspired by the anatomy and gait patterns of animals and humans. Within this area, the last decade has seen the development of exoskeletons, devices that, when placed externally on the user, provide movement assistance. These devices, especially those used on the lower limb, have proven to be an effective tool in the fields of medical and physical rehabilitation, providing the patient with gait training therapy based on repetitive, precise and controlled movements, while reducing therapist fatigue. However, after evaluating the state of the art of these devices, a series of shortcomings and necessary improvements were detected for these devices to be fully implemented: size, weight, battery life and cost are some of the most prominent aspects, although the most outstanding is the lack of versatility and adaptability to the different conditions of patients and pathologies. Due to the high variability in neurological and neuromuscular pathologies affecting gait, each patient suffers from a series of specific limitations and problems associated with one or more joints, which must be treated in a personalized manner, i.e., assisting the required joints, and freeing the unaffected joints. However, no device can vary its structure or the number of actuated joints to adapt to the specific needs of the patient, which limits their capabilities and the conditions of the rehabilitation process.
To solve these problems, this thesis proposes to apply the concept of modularity to exoskeletons, using a decentralized control architecture. This will allow to don and doff the active joints needed to adapt to the most appropriate configuration for each patient, and also the size and weight of the device to be adjusted, as well as the battery life. However, addressing the design of modular exoskeletons based on a decentralized architecture involves solving certain difficulties such as the synchronization and control of the movements of the active joints.
In this thesis, a new decentralized control architecture is proposed, inspired by the neurological mechanisms involved in the planning, control and execution of the synchronized movements of the joints during the human gait process, called central pattern generators. Based on the distributed structure and characteristics of these mechanisms, controllers able to function both independently and synchronously with each other were developed, without the need for a higher-level controller. In addition, with the aim of improving the adaptive capabilities and versatility of these devices to users, strategies for motion intention detection and assistance as needed were included. To validate the proposed strategies, a modular exoskeleton prototype was developed and its operation was demonstrated using different configurations.
RESUMEN
La naturaleza ha sido siempre una fuente de inspiración para el ser humano en el desarrollo de nuevas tecnologías y sus mejoras.
En el campo de la robótica, el desarrollo de robots con patas utiliza como inspiración la anatomía y patrones de marcha de animales y humanos. Dentro de esta área, en la última década destaca el desarrollo de exoesqueletos, dispositivos que, colocados externamente sobre el usuario, le proporcionan asistencia en el movimiento. Estos dispositivos, especialmente los utilizados en el miembro inferior, han demostrado ser una herramienta eficaz en el ámbito médico y de la rehabilitación física, donde se proporciona al paciente una terapia de entrenamiento de la marcha basada en movimientos repetitivos, precisos y controlados; a la vez que se reduce la fatiga de los terapeutas. Sin embargo, tras evaluar el estado del arte de estos dispositivos, se han detectado una serie de carencias y mejoras necesarias para que la implantación de estos dispositivos de rehabilitación sea completa: el tamaño, el peso, la duración de la batería y el coste son algunos de los aspectos más relevantes, pero la más destacada es la falta de versatilidad y adaptabilidad a las diferentes condiciones de los pacientes y patologías. Debido a la alta variabilidad en las patologías neurológicas y neuromusculares que afectan a la marcha, cada paciente sufre una serie de limitaciones y problemas concretos asociados a una o varias articulaciones que deben ser tratados de manera personalizada, es decir, asistiendo sólo a las articulaciones necesarias, dejando libres las no afectadas. Sin embargo, actualmente ningún dispositivo permite variar su estructura o el número de articulaciones actuadas para adaptarse a las necesidades específicas del paciente, lo que limita sus capacidades y condiciona el proceso de rehabilitación.
Para dar solución a estos problemas, en esta tesis se propone aplicar el concepto de modularidad a los exoesqueletos, utilizando una arquitectura de control descentralizada, en la que se puedan poner y quitar las articulaciones activas necesarias para adaptarse a la configuración más adecuada en cada paciente. Esto permitirá personalizar la terapia según el tipo de patología y paciente, además de ajustar el tamaño y peso del dispositivo, así como la duración de la batería. No obstante, abordar el diseño de exoesqueletos modulares basados en una arquitectura descentralizada supone resolver algunas dificultades como la sincronización y el control de los movimientos de las articulaciones activas, así como la interacción con el propio paciente.
En esta tesis se propone una nueva arquitectura de control descentralizada, inspirada en los mecanismos neurológicos que participan en la planificación, control y ejecución de los movimientos sincronizados de las articulaciones durante el proceso de la marcha humana, llamados generadores centrales de patrones. Utilizando la estructura distribuida y características de estos mecanismos, se han desarrollado controladores capaces de funcionar tanto de forma independiente como sincronizada con otros, sin necesidad de un controlador de más alto nivel. Además, con el objetivo de mejorar las capacidades de adaptación y versatilidad de estos dispositivos a los usuarios, se han adaptado estrategias para la detección de la intención de movimiento y asistencia según necesidad. Para validar las estrategias propuestas, se ha desarrollado un prototipo de exoesqueleto modular con el que se ha demostrado su funcionamiento utilizando diferentes configuraciones en escenarios reales.