Design, implementation and control of a self-aligning full arm exoskeleton for physical rehabilitation

Abstract

Bu tezde robot destekli rehabilitasyon için omuz dönüş hareketleriyle birlikteomuz kemeri hareketlerine de izin veren, özgün, beslemeli, kendinden hizalamalı dışiskelet olan AssistOn-Arm'ın kinematiğini, dizaynını, karakterize edilmesi ve kullanıcıdeğerlendirmesini sunuyoruz. AssistOn-Arm glenohumeral ekleminin merkezininöteleme hareketlerine aktif ve pasif olarak olanak sağlarken, el dirseği vebileğinin öteleme hareketlerini de pasif olarak telafi eder. Tüm eklemlerinin kendindenhizalaması sayesinde, AssistOn-Arm insan eklemleri ile dış iskelet eksenleriarasında ideal eşleşme sağlayarak terapi süresince ergonomi ve konforu garanti etmisve kol ve el eklemlerinin teripilerinde kullanılan kullanılabilir hareket açıklığınıgenişletmiş olur. Buna ek olarak AssistOn-Arm'ın bu kendinden hizalama özelliğihastayı dış iskelete bağlamak için gereken süreyi önemli ölçüde azaltır. AssistOn-Arm glenohumeral öteleme hareketleri (kürek kemiği elevasyon/depresyon ve önedoğru uzatma/geri çekme) ve kürek kemiği dengeleme egzersizlerini, kol dış iskeletlerininyapabildiği terapi çeşitliliğini artırarak uygulayabilmektedir. Hastaylaolan etkileşiminin nazik olması ve güvenliğin sağlanması için, çok kademeli makaratemelli aktarması ve yay temelli pasif yer çekimi telafi mekanizması sayesindeAssistOn-Arm pasif olarak geri sürülebilir şekilde dizayn edilmiştir. AssistOn-Arm'ın hastalarla olan etkileşimi güvenli olarak düzenlemesi için açık ve kapalıdöngü empedans kontrolleri uygulanmış ve cihazın performansı deneysel olaraknitelendirilmiştir. Ayrıca cihazın ergonomisi ve kullanılabilirliği insanlı deneylerlegösterilmiştir.

We present kinematics, design, control, characterization and user evaluation ofAssistOn-Arm, a novel, powered, self-aligning exoskeleton for robot-assisted upperextremity rehabilitation that allows for movements of the shoulder girdle aswell as shoulder rotations. AssistOn-Arm can both actively and passively enabletranslational movements of the center of glenohumeral joint, while also passivelycompensating for the translational movements at elbow and wrist. Automaticallyaligning all its joint axes, AssistOn-Arm provides an ideal match between humanjoint axes and the exoskeleton axes, guaranteeing ergonomy and comfort throughoutthe therapy, and extending the usable range of motion for upper extremitymovement therapies. Furthermore, self-aligning feature of AssistOn-Arm significantlyshortens the setup time required to attach the patient to the exoskeleton. Inaddition to the typical shoulder rotation exercises, AssistOn-Arm can deliver glenohumeralmobilization (scapular elevation/depression and protraction/retraction)and scapular stabilization exercises, extending the type of therapies that can beadministered using the upper-arm exoskeletons. To ensure safety and gentle interactionswith the patient, AssistOn-Arm is designed to be passively backdriveable,thanks to its capstan-based multi-level transmission and spring-based passive gravitycompensation mechanism. Open and closed-loop impedance controllers havebeen implemented to safely regulate interactions of AssistOn-Arm with patientsand performance of the device has been experimentally characterized. Ergonomyand useability of the device has also been demonstrated through human subjectexperiments.