Design and modelling of a lower limb exoskeleton for rehabilitation: a novel approach to reduce the injured knee’s load

Abstract

Knee orthoses and other medical devices are significant in the rehabilitation process of individuals who suffer, for example, from knee injuries due to sudden change in motion or high impacts. However, no significant effort has been made to provide technical guidelines into the design of a compliant, lower limb exoskeleton that is suitable for the day-to-day activities but also sports. This dissertation presents a device capable of reducing the load experienced by the impaired knee, by transferring part of it to the thigh using a novel mechanism. The proposed active exoskeleton can be used either after surgery for rehabilitation or before knee intervention, for example to delay the placement of an implant. The exoskeleton is “flexible”, i.e., conforms to the user’s leg, contains one active degree of freedom at the knee joint (four-bar linkage with instantaneous center of rotation) and passively accommodates the ankle’s joint axes (remote center of motion mechanism), as opposed to conventional rigid exoskeletons. For the series elastic actuator, it was selected an electric motor connected to an elastic with a length of 0.5 m and a stiffness of 150 kN/m. A model representing the patient’s leg connected to the elastic actuator was developed to test the force controller, which displayed adequate tracking performance with a maximum provided torque of about 6 Nm.

Ortóteses de joelho e outros dispositivos médicos são importantes no processo de reabilitação de indivíduos que sofrem, por exemplo, de lesões no joelho devido à mudança súbita de movimento ou a impactos elevados. No entanto, nenhum esforço significativo foi realizado para fornecer diretrizes técnicas no projeto de um exoesqueleto complacente de membros inferiores, que seja adequado para as atividades do dia a dia, mas também para o desporto. Esta dissertação apresenta um dispositivo capaz de reduzir a carga experienciada pelo joelho lesado, transferindo parte dela para a coxa utilizando um novo mecanismo. O exoesqueleto ativo proposto pode ser utilizado após a cirurgia para reabilitação ou antes da intervenção no joelho, por exemplo, para adiar a colocação de um implante. O exoesqueleto é “flexível”, ou seja, adapta-se à perna do utilizador, contém um grau de liberdade ativo na articulação do joelho (articulação de quatro barras com centro de rotação instantâneo) e acomoda passivamente os eixos articulares do tornozelo (mecanismo com centro de rotação remoto) ao contrário dos exosqueletos rígidos convencionais. Para o atuador elástico em série foi selecionado um motor elétrico conectado a um elástico de 0.5 m de comprimento com uma rigidez de 150 kN/m. Um modelo representando a perna do paciente conectada ao atuador elástico foi desenvolvido para testar o controlador de força, que apresentou um desempenho de rastreamento adequado com um momento máximo fornecido de aproximadamente 6 Nm.