A real-time architecture for smart wearable orthoses system

Abstract

Therapies assisted by powered Wearable Robotic Devices for treating lower limb impairments – ROBOT-AIDED gait training – have been increasingly used in addition to conventional therapeutic approaches, in the fields of rehabilitation and assistance. Particularly, powered exoskeletons and orthoses have been highlighted. These complex robotic systems require the design of bioinspired control architectures, that emphasizes modularity, determinism, portability and effective actuation. The main goal proposed in this work comprises the development of a powered knee orthosis (PKO) system, embedded with wearable gait sensors, capable of providing assistance to motion while monitoring the human gait, in terms of kinematic, kinetic and physiologic parameters. Furthermore, the overall validation of the rehabilitative tools is carried out with the development of motion control strategies for knee motion assistance, suitable for distinct types of therapies and pathologic patients. These strategies are integrated in a bioinspired hierarchical control architecture, that allows the distribution of controllers (low-, mid-, and high-level) according to the human motor functioning principles. Moreover, an adaptive real-time gait segmentation method capable of detecting six human gait events is also presented and validated, and further integrated in the PKO system. This first set-up of the system was validated with healthy subjects, on treadmill gait training, in order to prove the well-functioning of the designed components, the effectiveness of the actuation and impact of the orthosis in the users. Overall, the outcomes are promising, with a successful validation of the motion assistance strategies as well as the adaptive gait segmentation tool. Furthermore, this work also presents the conceptual design and technical description of a new bioinspired, real-time, modular, and effective architecture for smart wearable orthoses system, entitled SmartOs, capable of integrating an active ankle-foot orthosis (PAFO) and the PKO, with wearable gait sensory systems and advanced gait methods.

Terapias assistidas por sistemas robóticos ativos e vestíveis para tratamento de deficiências dos membros inferiores têm vindo a ser cada vez mais utilizadas em adição a terapias convencionais, em reabilitação e assistência. Em particular, exosqueletos e ortóteses ativas tem sido destacada. Estes sistemas complexos requerem o projeto de arquiteturas de controlo, que realçam modularidade, determinismo, portabilidade e uma atuação eficaz. O objetivo principal proposto neste trabalho inclui o desenvolvimento de um sistema para uma ortótese ativa do joelho (PKO), embebido com sensores da marcha, capaz de assistir o movimento enquanto monitoriza a marcha humana, em termos de cinemática, cinética e parâmetros fisiológicos. A validação completa desta ferramenta reabilitativa decorreu com a criação de estratégias de controlo para assistir o movimento do joelho, adequadas para diferentes terapias e pacientes patológicos. Estas estratégias foram então integradas numa arquitetura de controlo bioinspiradas, que permite a definição de controladores (baixo, médio, e alto nível) relacionadas com os princípios do funcionamento do motor humano. Além disso, um algoritmo adaptativo de segmentação em tempo-real da marcha, capaz de destacar seis eventos, é também apresentado e validado, com posterior integração no sistema PKO. Esta primeira configuração do sistema foi validada com sujeitos saudáveis, em treadmill, de forma a provar o correto funcionamento dos componentes desenhados, a eficácia da atuação, e o impacto da ortótese nos utilizadores. No geral, os resultados foram promissores, com uma validação bem-sucedida das estratégias de assistência ao movimento e também da ferramenta segmentação da marcha. Além disso, este trabalho também apresenta o desenho conceptual e descrição técnica de uma nova arquitetura em real-time, bioinspirada, modular e eficaz para sistemas ortópticos inteligentes, intitulada SmartOS, capaz de integrar uma ortótese ativo do tornozelo (PAKO) e o PKO, com sensores da marcha vestíveis e algoritmos da marcha avançados.