Adaptive control for wearable robots in human-centered rehabilitation tasks

Abstract

Robotic rehabilitation therapies have been improving by providing the needed assistance to the patient, in a human-centered environment, and also helping the therapist to choose the necessary procedure. This thesis presents an adaptive "Assistance-as-needed" strategy which adheres to the specific needs of the patient and with the inputs from the therapist, whenever needed. The exertion of assistive and responsive behavior of the lower limb wearable robot is dedicated for the rehabilitation of incomplete spinal cord injury (SCI) patients. The main objective is to propose and evaluate an adaptive control model on a wearable robot, assisting the user and adhering to their needs, with no or less combination of external devices. The adaptation must be more interactive to understand the user needs and their volitional orders. Similarly, by using the existing muscular strength, in incomplete SCI patients, as a motivation to pursue the movement and assist them, only when needed. The adaptive behavior of the wearable robot is proposed by monitoring the interaction and movement of the user. This adaptation is achieved by modulating the stiffness of the exoskeleton in function of joint parameters, such as positions and interaction torques. These joint parameters are measured from the user independently and then used to update the new stiffness value. The adaptive algorithm performs with no need of external sensors, making it simple in terms of usage. In terms of rehabilitation, it is also desirable to be compatible with combination of assistive devices such as muscle stimulation, neural activity (BMI) and body balance (Wii), to deliver a user friendly and effective therapy. Combination of two control approaches has been employed, to improve the efficiency of the adaptive control model and was evaluated using a wearable lower limb exoskeleton device, H1. The control approaches, Hierarchical and Task based approach have been used to assist the patient as needed and simultaneously motivate the patient to pursue the therapy. Hierarchical approach facilitates combination of multiple devices to deliver an effective therapy by categorizing the control architecture in two layers, Low level and High level control. Task-based approaches engage in each task individually and allow the possibility to combine them at any point of time. It is also necessary to provide an interaction based approach to ensure the complete involvement of the user and for an effective therapy. By means of this dissertation, a task based adaptive control is proposed, in function of human-orthosis interaction, which is applied on a hierarchical control scheme. This control scheme is employed in a wearable robot, with the intention to be applied or accommodated to different pathologies, with its adaptive capabilities. The adaptive control model for gait assistance provides a comprehensive solution through a single implementation: Adaptation inside a gait cycle, continuous support through gait training and in real time. The performance of this control model has been evaluated with healthy subjects, as a preliminary study, and with paraplegic patients. Results of the healthy subjects showed a significant change in the pattern of the interaction torques, elucidating a change in the effort and adaptation to the user movement. In case of patients, the adaptation showed a significant improvement in the joint performance (flexion/extension range) and change in interaction torques. The change in interaction torques (positive to negative) reflects the active participation of the patient, which also explained the adaptive performance. The patients also reported that the movement of the exoskeleton is flexible and the walking patterns were similar to their own distinct patterns.
 The presented work is performed as part of the project HYPER, funded by Ministerio de Ciencia y Innovación, Spain. (CSD2009 - 00067 CONSOLIDER INGENIO Las terapias de rehabilitación robóticas han sido mejoradas gracias a la inclusión de la asistencia bajo demanda, adaptada a las variaciones de las necesidades del paciente, así como a la inclusión de la ayuda al terapeuta en la elección del procedimiento necesario. Esta tesis presenta una estrategia adaptativa de asistencia bajo demanda, la cual se ajusta a las necesidades específicas del paciente junto a las aportaciones del terapeuta siempre que sea necesario. El esfuerzo del comportamiento asistencial y receptivo del robot personal portátil para extremidades inferiores está dedicado a la rehabilitación de pacientes con lesión de la médula espinal (LME) incompleta. El objetivo principal es proponer y evaluar un modelo de control adaptativo en un robot portátil, ayudando al usuario y cumpliendo con sus necesidades, en ausencia o con reducción de dispositivos externos. La adaptación debe ser más interactiva para entender las necesidades del usuario y sus intenciones u órdenes volitivas. De modo similar, usando la fuerza muscular existente (en pacientes con LME incompleta) como motivación para lograr el movimiento y asistirles solo cuando sea necesario. El comportamiento adaptativo del robot portátil se propone mediante la monitorización de la interacción y movimiento del usuario. Esta adaptación conjunta se consigue modulando la rigidez en función de los parámetros de la articulación, tales como posiciones y pares de torsión. Dichos parámetros se miden del usuario de forma independiente y posteriormente se usan para actualizar el nuevo valor de la rigidez. El desempeño del algoritmo adaptativo no requiere de sensores externos, lo que favorece la simplicidad de su uso. Para una adecuada rehabilitación, efectiva y accesible para el usuario, es necesaria la compatibilidad con diversos mecanismos de asistencia tales como estimulación muscular, actividad neuronal y equilibrio corporal. Para mejorar la eficiencia del modelo de control adaptativo se ha empleado una combinación de dos enfoques de control, y para su evaluación se ha utilizado un exoesqueleto robótico H1. Los enfoques de control Jerárquico y de Tarea se han utilizado para ayudar al usuario según sea necesario, y al mismo tiempo motivarle para continuar el tratamiento. Enfoque jerárquico facilita la combinación de múltiples dispositivos para ofrecer un tratamiento eficaz mediante la categorización de la arquitectura de control en dos niveles : el control de bajo nivel y de alto nivel. Los enfoques basados en tareas involucran a la persona en cada tarea individual, y ofrecen la posibilidad de combinarlas en cualquier momento. También es necesario proporcionar un enfoque basado en la interacción con el usuario, para asegurar su participación y lograr así una terapia eficaz. Mediante esta tesis, proponemos un control adaptativo basado en tareas y en función de la interacción persona-ortesis, que se aplica en un esquema de control jerárquico. Este esquema de control se emplea en un robot portátil, con la intención de ser aplicado o acomodado a diferentes patologías, con sus capacidades de adaptación. El modelo de control adaptativo propuesto proporciona una solución integral a través de una única aplicación: adaptación dentro de la marcha y apoyo continúo a través de ejercicios de movilidad en tiempo real. El rendimiento del modelo se ha evaluado en sujetos sanos según un estudio preliminar, y posteriormente también en pacientes parapléjicos. Los resultados en sujetos sanos mostraron un cambio significativo en el patrón de los pares de interacción, elucidando un cambio en la energía y la adaptación al movimiento del usuario. En el caso de los pacientes, la adaptación mostró una mejora significativa en la actuación conjunta (rango de flexión / extensión) y el cambio en pares de interacción. El cambio activo en pares de interacción (positivo a negativo) refleja la participación activa del paciente, lo que también explica el comportamiento adaptativo.