Study of exoskeletons for upper limb rehabilitation

Contreras González, Aldo Francisco (2022). Study of exoskeletons for upper limb rehabilitation. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.71733.

Description

Title: Study of exoskeletons for upper limb rehabilitation
Author/s:
  • Contreras González, Aldo Francisco
Contributor/s:
  • Sánchez-Urán González, Miguel Ángel
  • Ferre Pérez, Manuel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Read date: 14 September 2022
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Electrónica e Informática Industrial [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

This thesis presents a study of exoskeletons for the rehabilitation of the upper body, specifically the shoulder and elbow. Initially, two studies are developed for the identification of shoulder gestures and the final position of the wrist with respect to the shoulder without including pronosupination gesture. Different sensing technologies have been used for this study. A statistical analysis has been carried out to identify, from a matrix of sensors that are placed on the shoulder, the best positions in which they should be placed. It is proposed to use a rigid structure to perform a calibration between users and their different dimensions, the results of this study have shown that the use of the proposed sensors are effective and even the types of gestures can be classified and this information can be used in exoskeletons. Also, a characterisation of surface electromyography (sEMG) sensors for Exoskeletons is presented. This analysis considers different measurement techniques and the use of textile-based electrodes for long-term is proposed. In the end, the use of sensors for shoulder identification has been mixed with sEMG sensors, obtaining an even more precise classification of gestures and the data necessary to control active exoskeletons. Likewise, a passive rehabilitation exoskeleton with six degrees of freedom (DOF) capable of carrying out rehabilitation of the shoulder and elbow (only flexion) is designed and built. In this thesis the mechanical design, the errors made on the fly, the high-level control, the algorithms of the movements, the design of the user interface and the improvements implemented by the feedback of patients who have used the exoskeleton are presented. Finally, a validation of the rehabilitation device is presented using the System Usability Scale (SUS) questionnaire, resulting as acceptable with a high score. ----------RESUMEN---------- Esta tesis presenta un estudio de exoesqueletos para la rehabilitación de tren superior, específicamente del hombro y codo. Primero, se desarrollan dos estudios para la identificación de los gestos del hombro y la posición final de la muñeca con respecto al hombro sin incluir la pronosupinación. Para este estudio se han utilizando diferentes tecnologías de sensado. Se ha realizado un análisis estadístico para identificar, de entre una matriz de sensores que se colocan sobre el hombro, las mejores posiciones en que deben ser colocados. Se propone utilizar una estructura rígida para realizar una calibración entre usuarios y sus diferentes dimensiones, los resultados de este estudio han mostrado que el uso de los sensores propuestos son efectivos e incluso se pueden clasificar los tipos de gestos y utilizar esta información en exoesqueletos. También, se presenta una caracterización de sensores de electromiografía de superficie (sEMG) para Exoesqueletos. Este análisis contempla diferentes técnicas de medición y se propone el uso de textile-based electrodes for long-term. Al final se ha mezclado el uso de sensores para la identificación del hombro con los sensores sEMG obteniendo de una forma aún más precisa la clasificación de los gestos y los datos necesarios para realizar el control de exoesqueletos activos. Así mismo, se diseña y construye un exoesqueleto de rehabilitación pasivo con seis grados de libertad capaz de realizar la rehabilitación del hombro (flexión, abducción y rotación) y codo (solo flexión y extensión). En esta tesis se presenta el diseño mecánico, los errores cometidos sobre la marcha, el control de alto nivel, los algoritmos de los movimientos, el diseño de la interfaz de usuario y las mejoras implementadas por la retroalimentación de pacientes que han usado el exoesqueleto. Finalmente se presenta una validación del dispositivo de rehabilitación utilizando el System Usability Scale (SUS) questionnaire resultado como aceptable con una puntuación elevada.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainRTI2018-094346-BI00LUXBITUnspecifiedLightweight Upper limbs eXosuit for BImanual Task Enhancement
Government of SpainDPI-2015-68842-RExoFlexUnspecifiedExoesqueleto Ligero para la Generación de Fuerzas en las Extremidades Superiores Aplicado a Tareas de Rehabilitación

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Item ID: 71733
DC Identifier: https://oa.upm.es/71733/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:71733
DOI: 10.20868/UPM.thesis.71733
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 20 Sep 2022 07:50
Last Modified: 20 Sep 2022 09:50
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