User-centered bio-inspired methodologies for upper limb rehabilitation exoskeletons: design, simulation and clinical validation
Authors:   , Sosa Méndez Deira 
Published: December 2024

Currently, exoskeletons are emerging as effective tools in medical rehabilitation. However, they face challenges related to movement compatibility, automatic control, cost, and human-robot interaction, among others.

This thesis aims to develop a rehabilitation exoskeleton for individuals with limited mobility in the upper limbs. It will address challenges such as optimizing the mechanical design, ensuring compatibility and ergonomics with upper limb movements, and implementing control strategies to manage disturbances and uncertain modeling in the exoskeleton's performance. Additionally, the thesis will develop the human-robot interface and conduct a comprehensive evaluation to assess the device's usability and efficiency in real-world settings.

To achieve this, a user-centered, task-focused bioinspired methodology was employed, consisting of 12 activities grouped into three phases: design, simulation, and physical prototyping. This methodology features two optimization stages: the first aims to enhance the mechanical design of the device using a weighted objective function, while the second focuses on optimal control through a sliding mode controller with an exponential reach surface. Both stages utilize metaheuristic algorithms. The methodology also includes mathematical modeling (kinematic and dynamic), virtual environment use, technological integration, and a comprehensive clinical evaluation.

The results achieved include the development of a bioinspired device with a weight reduction of approximately 49% compared to the initial design, thanks to mechanical design optimization. Additionally, digital twins of the device were created: 1) The digital twin prototype validated safety and performance factors through trajectory tracking control strategies via software, and 2) The digital twin instance enabled a thorough clinical evaluation under real conditions.

A human-robot interface was designed to facilitate communication between medical personnel and the exoskeleton, incorporating both simulation and movement execution phases. An industrial PD controller was used for the 5 DOF exoskeleton, while a sliding mode controller with an exponential reach surface, optimized using the particle swarm optimization algorithm, was employed for the 7 DOF ETS-MARSE exoskeleton. Both controllers proved efficient in passive rehabilitation exoskeletons, with RMSE values of less than 0.88 rad and 0.05 rad, respectively.

The evaluation results include assessments of the human-robot interface usability, workload index, exoskeleton usability, therapy satisfaction, and the exoskeleton's performance in both simple and complex therapeutic routines. It is worth noting that the clinical evaluation of the robotic rehabilitation therapy is beyond the scope of this thesis. However, the results presented in this PhD thesis provide a solid foundation for future clinical validation from a therapeutic perspective.

At the conclusion of this work, a viable robotic exoskeleton was developed for passive rehabilitation therapies for individuals with limited mobility in the upper limbs. The device is lightweight, features an interface that meets usability standards, and has a physical prototype evaluated in a clinical setting.

RESUMEN

Actualmente, los exoesqueletos se perfilan como herramientas eficaces en la rehabilitación médica. No obstante, enfrentan desafíos relacionados con la compatibilidad del movimiento, el control automático, el costo y la interacción humano-robot, entre otros.

El objetivo de esta tesis es desarrollar un exoesqueleto de rehabilitación para personas con movilidad limitada en los miembros superiores. Se abordarán desafíos relacionados con la optimización del diseño mecánico, la compatibilidad y ergonomía del exoesqueleto con los movimientos del miembro superior, y las estrategias de control para enfrentar perturbaciones y modelado incierto en el desempeño del exoesqueleto. Además, se desarrollará la interfaz humano-robot y se evaluará el dispositivo de manera integral para cuantificar su usabilidad y eficiencia en entornos reales.

Para lograr este objetivo, se empleó una metodología bioinspirada centrada en el usuario y enfocada en la tarea, compuesta por 12 actividades agrupadas en tres fases: diseño, simulación y prototipo físico. Esta metodología incluye dos etapas de optimización: la primera se enfoca en mejorar el diseño mecánico del dispositivo mediante una función objetivo ponderada, y la segunda se centra en el control óptimo, utilizando un controlador por modos deslizantes con superficie de alcance exponencial. Ambas etapas implementan algoritmos metaheurísticos para alcanzar sus objetivos. Además, se consideran etapas de modelado matemático (cinemático y dinámico), uso de entornos virtuales, integración tecnológica y evaluación integral en un entorno clínico.

Los resultados obtenidos tras aplicar la metodología fueron: la creación de un dispositivo bioinspirado con una reducción de peso de aproximadamente el 49% respecto al diseño inicial gracias a la fase de optimización del diseño mecánico. Además, se desarrollaron gemelos digitales del dispositivo: 1) el prototipo de gemelo digital permitió validar el factor de seguridad y el desempeño mediante estrategias de control para el seguimiento de trayectorias a través de softwares. Y 2) la instancia del gemelo digital permitió realizar una evaluación integral en un entorno clínico bajo condiciones reales.

Se diseñó una interfaz humano-robot que permite la comunicación entre el personal médico y el exoesqueleto, incluyendo una etapa de simulación y otra de ejecución de movimientos en el dispositivo. Se utilizó un controlador industrial (PD) para el exoesqueleto de 5 DOF diseñado en esta tesis, y un controlador por modos deslizantes con superficie de alcance exponencial, optimizado mediante el algoritmo de enjambre de partículas, para el exoesqueleto ETS-MARSE de 7 DOF. Ambos controladores demostraron su eficiencia en el uso de exoesqueletos enfocados en rehabilitación pasiva, presentando RMSE menores a 0.88 rad y 0.05 rad, respectivamente.

Los resultados de la evaluación incluyen valoraciones de la usabilidad de la interfaz humano-robot, el índice de carga de trabajo, la usabilidad del exoesqueleto, la satisfacción con la terapia y el rendimiento del exoesqueleto tanto en rutinas terapéuticas simples como complejas. Cabe destacar que la evaluación clínica de la terapia de rehabilitación robótica está fuera del alcance de esta tesis. Sin embargo, los resultados presentados en esta tesis doctoral proporcionan una base sólida para futuras validaciones clínicas desde una perspectiva terapéutica.

Al concluir este trabajo, se desarrolló un exoesqueleto robótico viable para terapias de rehabilitación pasiva para individuos con movilidad limitada en los miembros superiores. El dispositivo es ligero, cuenta con una interfaz que cumple con los estándares de usabilidad y tiene un prototipo físico evaluado en un entorno clínico.