Development of an exoskeleton robot for upper-limb rehabilitation

Rahman, Mohammad Habibur (2012). Development of an exoskeleton robot for upper-limb rehabilitation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

To assist or rehabilitate individuals with impaired upper-limb function, we have developed an upper-limb exoskeleton robot, the ETS-MARSE (motion assistive robotic-exoskeleton for superior extremity). The MARSE is comprised of a shoulder motion support part, an elbow and forearm motion support part, and a wrist motion support part. It is designed to be worn on the lateral side of the upper limb in order to provide naturalistic movements of the shoulder (i.e., vertical and horizontal flexion/extension, and internal/external rotation), elbow (i.e., flexion/extension), forearm (i.e., pronation/supination), and wrist joint (i.e., radial/ulnar deviation, and flexion/extension). This thesis focuses on the modeling, design (mechanical and electrical components), development, and control of the developed MARSE.

The proposed MARSE was modeled based on the upper-limb biomechanics; it has a relatively low weight, an excellent power/weight ratio, can be easily fitted or removed, and is able to effectively compensate for gravity. Moreover, to avoid complex cable routing that could be found in many exoskeleton systems, a novel power transmission mechanism was introduced for assisting shoulder joint internal/external rotation and for forearm pronation/supination. The exoskeleton was designed for use by typical adults. However, provisions are included for link length adjustments to accommodate a wide range of users. The entire exoskeleton arm was fabricated primarily in aluminum except the high stress joint sections which were fabricated in mild steel to give the exoskeleton structure a relatively light weight. Brushless DC motors (incorporated with Harmonic Drives) were used to actuate the developed MARSE.

The kinematic model of the MARSE was developed based on modified Denavit-Hartenberg notations. In dynamic modeling and control, robot parameters such as robot arm link lengths, upper-limb masses, and inertia, are estimated according to the upper limb properties of a typical adult. Though the exoskeleton was developed with the goal of providing different forms of rehab therapy (namely passive arm movements, active-assisted therapy, and resistive therapy), this research concentrated only on passive form of rehabilitation.

Passive arm movements and exercises are usually performed slowly compared to the natural speed of arm movement. Therefore, to control the developed MARSE, a computationally inexpensive a PID controller and a PID-based compliance controller were primarily employed. Further, realizing the dynamic modeling of human arm movement which is nonlinear in nature, a nonlinear computed torque control (CTC) and a modified sliding mode exponential reaching law (mSMERL) techniques were employed to control the MARSE. Note that to improve transient tracking performance and to reduce chattering, this thesis proposed the mSMERL, a novel nonlinear control strategy that combined the concept of boundary layer technique and the exponential reaching law. The control architecture was implemented on a field-programmable gate array (FPGA) in conjunction with a RT-PC.

In experiments, typical rehabilitation exercises for single and multi joint movements (e.g., reaching) were performed. Experiments were carried out with healthy human subjects where trajectories (i.e., pre-programmed trajectories recommended by therapist/clinician) tracking the form of passive rehabilitation exercises were carried out.

This thesis also focused on the development of a 7DoFs upper-limb prototype (lower scaled) ‘master exoskeleton arm’ (mExoArm). Furthermore, experiments were carried out with the mExoArm where subjects (robot users) operate the mExoArm (like a joystick) to maneuver the MARSE to provide passive rehabilitation.

Experimental results show that the developed MARSE can effectively perform passive rehabilitation exercises for shoulder, elbow and wrist joint movements. Using mExoArm offers users some flexibility over pre-programmed trajectories selection approach, especially in choosing range of movement and speed of motion. Moreover, the mExoArm could potentially be used to tele-operate the MARSE in providing rehabilitation exercises.

Résumé traduit

Pour assister ou réadapter les personnes présentant une altération du fonctionnement d’un membre supérieur, nous avons développé un exosquelette robotique représentant un membre supérieur nommé, ETS-MARSE (motion assistive robotic-exoskeleton for superior extremity). MARSE est composé d’un support déplaçable pour l’épaule, d’un support déplaçable pour le coude et l’avant-bras et d’un support déplaçable pour le poignet. Il est conçu pour être porté sur le côté latéral du membre supérieur afin de fournir des mouvements naturels de l'épaule (flexion/extension verticale et horizontale et rotation interne/externe), du coude (flexion/extension), de l’avant-bras (pronation/supination) et de l’articulation du poignet (déviation radiale/ulnaire et flexion/extension). Cette thèse se concentre sur la modélisation, la conception (composants mécaniques et électriques), le développement et le contrôle de MARSE.

Le robot MARSE proposée a été modélisé à partir de la biomécanique d’un membre supérieur, il a un poids relativement faible, un excellent rapport puissance/poids, facilement mis ou enlevé, et il est capable de compenser efficacement la gravité. De plus, afin d'éviter l'acheminement complexe des câbles qui pourraient se trouver dans plusieurs types d’exosquelettes, un nouveau mécanisme de transmission de puissance a été introduit pour aider la rotation interne/externe de l'articulation de l'épaule ainsi que la pronation/supination de l'avant-bras. L'exosquelette est conçu pour être utilisé par des adultes typiques. Cependant, des dispositions pour ajuster la longueur des membres ont été effectuées afin d’accommoder un grand éventail d’utilisateurs. La totalité du bras robotique est fabriquée principalement en aluminium, excepté pour les sections sous forte pression qui ont été fabriquées en acier pour donner à l’exosquelette une structure relativement légère. Des moteurs synchrones (incorporés avec des systèmes d’entraînement harmonique direct) ont été utilisés pour actionner MARSE.

La cinématique de MARSE a été développée en se basant sur les notations de Denavit- Hartenberg modifiées. Dans le modèle dynamique et le contrôle, les paramètres du robot tels que les longueurs, la masse de ses membres et l’inertie sont estimés en fonction des propriétés d’un bras d'un adulte typique. Bien que l'exosquelette ait été développé avec l'objectif d'offrir différentes formes de thérapie de réadaptation (nommé mouvements passifs du bras, thérapie active-assistée, et thérapie résistive), cette recherche s'est concentrée uniquement sur la forme passive de la réadaptation.

Les mouvements et les exercices passifs d’un bras sont généralement effectués à une vitesse plus lente que la vitesse naturelle du bras. Par conséquent, un PID simple et un PID avec souplesse ‘compliance’ ont été initialement utilisés pour contrôler le robot MARSE. Par la suite, la réalisation de la modélisation de la dynamique du mouvement du bras humain, qui est non linéaire par sa nature, ainsi qu’une méthode de commande par couple précalculé (CTC) et une méthode de commande par mode de glissement avec une loi de convergence exponentielle (mSMERL) ont été employées pour contrôler MARSE. Notez que pour améliorer les performances transitoires de poursuite et pour réduire les vibrations, cette thèse a proposé le mSMERL, une nouvelle approche de contrôle non linéaire qui combine le concept de la technique de mode glissant avec une loi de convergence exponentielle. L'architecture de contrôle a été mise en oeuvre sur un FPGA (field-programmable gate array) conjointement avec un ordinateur incluant un système d’exploitation en temps réel.

Pour les expériences, des exercices typiques de réadaptation pour le déplacement d’une ou plusieurs articulations ont été exécutés. Ces expériences ont été réalisées avec des sujets humains sains où les poursuites (trajectoires préprogrammées recommandées par un thérapeute ou un clinicien) de trajectoires sous la forme d'exercices de réadaptation passive ont été effectuées. Cette thèse se concentre aussi sur le développement d’un prototype (modèle réduit) d’un membre supérieur à 7 DDL nommé « aster exoskeleton arm » (mExoArm). De plus, des expériences ont été réalisées avec le mExoArm où les sujets (utilisateurs de robots) ont opéré mExoArm pour manoeuvrer MARSE dans le but de fournir une réadaptation passive. Les résultats expérimentaux montrent que MARSE peut accomplir efficacement des exercices de réadaptation passive pour des mouvements de l'épaule, coude et poignet. Utiliser mExoArm offre aux utilisateurs une certaine souplesse sur les trajectoires préprogrammées sélectionnées, en particulier dans le choix de l'amplitude des mouvements et la vitesse du mouvement. Par ailleurs, le mExoArm pourrait potentiellement être utilisé pour la réadaptation à distance.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliogr. : f. [175]-186.
Mots-clés libres:	Exosquelettes (Cybernétique). Bras artificiel. Commande non linéaire. Réadaptation. Bras déficient, Thérapie de réadaptation passive, robotique, réhabilitation, PID, Commande par mode précalculé, Loi de convergence exponentielle modifiée, Poursuite de trajectoire.
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Saad, Maarouf
Codirecteur:	Codirecteur Kenné, Jean-Pierre
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	27 août 2012 20:50
Dernière modification:	13 déc. 2016 15:42
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1048

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