Impedance control is commonly used in rehabilitation robots to maintain the human-robot interaction force below safe levels for the patient, and simultaneously, to control the limb position according to the desired trajectories determined by the therapy. Impedance control aims to regulate the dynamic relationship between the robot force and the actuator movement. On the other hand, design of rehabilitation robots for lower limbs demands specific features that come from their biomechanical functions as weight bearing and locomotion. This paper aims to review the main features for implementing an impedance control in a lower limb rehabilitation robot. Initially, we present a general formulation of the impedance control starting from the dynamic equations toward the most basic forms of this controller. We emphasize that impedance control enable real-time variations in the amount of assistance via the variation of the impedance parameters (inertia, damping and stiffness) of the controller without significant problems of stability. Control performance does not only depend on the control schemes but also a good selection of all the elements of the control loop, including sensors and actuators. We review on the most commonly used actuators for impedance controlled robots. Finally, we addressed the main challenges and limitations for research and development of most efficient implementations and indicates the most relevant trends that literature evidence.
DedicatóriaAo meu lho Juan José: Para que tus pies nunca dejen de caminar el mundo Agradecimentos Ao meu orientador o Prof. Dr. Adriano Siqueira pela conança depositada em mim, sua guia e conhecimento zeram este trabalho possível. A experiência de trabalhar ao seu lado têm sido uma grande fonte de inspiração para mim.Aos outros membros da minha banca: Prof. Dr. Hermano Igo Krebs (MIT) e Prof. Dr.Thiago Luiz de Russo (UFSCar), eu agradeço muito seu tempo e sugestões para contribuir ao sucesso desta pesquisa. Foi para mim uma honra contar com sua avaliação.Aos meus companheiros do Laboratório de Reabilitação Robótica e a muitos estudantes e professores do Grupo de Mecatrônica pela paciência e vontade de me ajudar em cada momento.Especialmente a Guido, sua ajuda e companhia no primeiro ano foi muito importante para mim.A Marcela, pela orientação e ajuda durante a realização dos testes com os pacientes. Espero que esta parceria Engenharia-Fisioterapia continue, a humanidade precisa dessas interações.A você Angie, minha esposa, amiga e cúmplice na loucura de sair de casa, sem você tudo isto seria um talvez. Eu sei que sua atenção nos detalhes junto à minha capacidade de sonhar nos permitirão conseguir grandes coisas para nossas vidas. Gracias Aos meus pães, pela innita conança em minha capacidade de fazer as coisas certas. Cada momento da vida tento imitar a capacidade de curtir a vida de meu pai, e em cada um se evidencia a forja na que foi feito, mi mamá. Aos meus irmãos, seu carinho e admiração me dá luz na escuridão, espero ser também uma luz nas suas vidas.A todos os meus familiares e amigos, aqueles que sempre acreditaram que eu ia aproveitar minha oportunidade, eu lhes agradeço e espero nunca defraudá-los A Henry e sua esposa Carolina, vocês me abriram as portas da sua casa no momento que eu mais precisava. Henry, você teve mais conança em minha capacidade da que eu mesmo tinha.Você é um dos artíces de todo isto.Aos meus companheiros de viagem e de comedor, Andres y Ana. Sem duvida a vida longe de casa foi mais fácil ao seu lado, foi como estar um pouco em casa. Obrigado por cada dia.Ao CNPq pelo suporte nanceiro durante meu período de mestrado. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma estratégia de assistência adaptativa mediante a implementação de um controle de impedância variável para um robô de reabilitação do tornozelo. A estratégia é formulada de tal forma que o dispositivo robótico assiste ao paciente somente quando e quanto for necessário, seguindo o paradigma Assist-As-Needed. Inicialmente, a contribuição dinâmica do paciente durante a realização do movimento é estimada com base nas informações cinemáticas e de torque fornecidas pelo robô. Em seguida, são propostos dois métodos para se obter o parâmetro de rigidez do controlador de impedância, o primeiro deles determina um valor de erro admissível e calcula a rigidez do robô para complementar a atuação do paciente, e o segundo calcula a rigidez mediante a minimização de um funcional que quantica o processo de reabilitação e a interação entre ...
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