Design, ımplementation and control of self-aligning, bowden cable-driven, series elastic exoskeletons for lower extremity rehabilitation

Abstract

Bu çalışmada, alt ekstremitelerin robot yardımlı rehabilitasyonu amaçlı birimselve kendini hizalayan dışiskelet, AssistOn-Leg sunulmaktadır. AssistOn-Leg,sırasıyla ayak bileği, diz ve kalça eklemlerini hedefleyen üç kendini hizalayan ve güçlendirilmişdışiskelet biriminden oluşmaktadır. Her bir birim bağımsız olarak ilgilendiğieklemin rehabilitasyonunda kullanılabilirken, birimlerin bir araya getirilmesiylede doğal yürüyüş alıştırmaları gerçekleştirilebilir. AssistOn-Ankle ayak bileğininplantar fleksiyon/dorsifleksiyon ve supinasyon/pronasyon hareketlerini hedeflemekteve denge/propriosepsionu ya da hareket aralığı/güçlendirme alıştırmalarınıverebilecek şekilde yeniden yapılandırılabilmektedir. AssistOn-Knee diz eklemininfleksiyon/ekstensiyon hareketini hedeflemekte ve aynı anda bu harekete bağlısagital düzlemde oluşan öteleme hareketlerini de desteklemektedir. AssistOn-Hipkalça ekleminin fleksiyon/ekstensiyon hareketini hedeflemekte ve kalça-leğen kemiğibileşiğinin sagital düzlemdeki öteleme hareketlerine izin vermektedir. Eklem eksenlerininkendi kendine hizalanması sonucunda, AssistOn-Leg ve birimleri insaneklem eksenleri ve robot eksenleri arasında kusursuz bir eşleşmeyi garanti etmektedir.Bu sayede, kendini hizalama, terapi süresince ergonomi ve rahatlığı sağlarkencihazların kurulumu ve hastaya bağlanması için gereken süreyi de önemli ölçüdeazaltmaktadır.Bowden kablo sürülü seri elastik eyleyicilerden ayak bileği ve diz birimlerinde,insan yürüyüşünü destekleyecek yüksek eyleyici torku sağlanırken sistemin belirginataletinin düşük tutulması amacıyla yararlanıldı. Ayrıca seri elastiklik, iyi kuvvettakibi nitelikleri, kontrol bant genişliği içerisinde aktif geri sürülebilirlik, pasif yumuşaklıkve kontrol bant genişliği dışındaki uyarılmalara karşı darbe direnci gibiözellikleri imkan vermektedir. AssistOn-Hip tasarımında ise pasif geri sürülebilirolması amacıyla çoklu seviyeli ırgat temelli bir iletim kullanılmıştır. Ayak bileği vediz birimlerindeki pasif yumuşaklık ve kalça birimindeki pasif geri sürülebilirlik sayesinde,genel sistem tasarımının güç kaybında bile emniyetli olması ve tüm frekanstayfında gürbüzlük garanti edilmiştir.

We present AssistOn-Leg, a modular, self-aligning exoskeleton for robotassistedrehabilitation of lower extremities. AssistOn-Leg consists of three selfaligning,powered exoskeletons targeting ankle, knee and hip joints, respectively.Each module can be used in a stand-alone manner to provide therapy to itscorresponding joint or the modules can be connected together to deliver naturalgait training to patients. In particular, AssistOn-Ankle targets dorsiflexion/plantarflexion and supination/pronation of human ankle and can be configuredto deliver balance/proprioception or range of motion/strengthening exercises;AssistOn-Knee targets flexion/extension movements of the knee joint, while alsoaccommodating its translational movements in the sagittal plane; and AssistOn-Hip targets flexion/extension movements hip joint, while allowing for translationsof hip-pelvis complex in the sagittal plane. Automatically aligning their joint axes,modules of AssistOn-Leg ensure an ideal match between human joint axes andthe exoskeleton axes. Self-alignment of the modules not only guarantees ergonomyand comfort throughout the therapy, but also significantly shortens the setup timerequired to attach a patient to the exoskeleton.Bowden cable-driven series elastic actuation is utilized in the modules located atthe distal (knee and ankle) joints of AssistOn-Leg to keep the apparent inertia ofthe system low, while simultaneously providing large actuation torques required tosupport human gait. Series elasticity also provides good force tracking characteristics,active back-driveability within the control bandwidth and passive complianceas well as impact resistance for excitations above this bandwidth. AssistOn-Hipis designed to be passively back-driveable with a capstan-based multi-level transmission.Thanks to passive compliance of the distal modules and passive backdriveabilityof the hip module, the overall design ensures safety even under powerlosses and robustness throughout the whole frequency spectrum.