Instrumented crutches to measure the internal forces acting on upper limbs in powered exoskeleton users

Abstract

Powered exoskeletons have proven to be a reliable solution to provide mobility to persons with spinal cord injury (SCI), but how users can learn to manage these devices is still an open issue. The training required to learn how to use an exoskeleton for assisted walking is currently based on a subjective evaluation of gait by the patient and his therapist, with a trial and error approach that increases the time and effort required to reach an efficient walking rate. To provide therapists information on the training progress, as well as on upper limb involvement in assisted gait, a measurement system was developed, by instrumenting Lofstrand crutches and integrating them with the sensing framework commonly found in gait analysis laboratories. Each crutch is composed of three strain-gauge bridges for measuring axial and shear forces, a conditioning circuit with transmission modules, a tri-axial accelerometer, and a power management circuit with two batteries. Data are transmitted wirelessly via Bluetooth to a personal computer, avoiding any interference with the user's gait. To estimate upper limbs' internal forces, an inverse dynamics analysis of the measurement results was performed on a biomechanical model developed by the authors. Internal forces acting on shoulders, elbow and neck were computed, to assess loads on the joints, as well as torques acting on the system degrees of freedom, due to the muscular activity of the subject. The presented approach was applied to Rewalk© users at different stages of their training, and with different walking performances. The paper presents the description of the measurement system, as well as an example of the results of these case studies, showing how this solution could be used to quantify important parameters to guide the user training during assisted gait

Healthcare sensor system exploiting instrumented crutches for force measurement during assisted gait of exoskeleton users

“…However, such systems, while sometimes found in gait analysis laboratories, allow measuring loads on the lower limbs of the patient only, neglecting the shoulder involvement, and assess the therapist contribution by visual observation only, without any quantitative analysis. This paper presents a sensor system that integrates commonly used measurement devices with force sensors developed by the authors (see [6] and [7]). The sensor system is able to assess internal forces acting on shoulders and elbows thanks to a biomechanical model and a numerical inverse dynamic analysis.…”

Desarrollo de una muleta sensorizada para medir la inclinación y el peso descargado

“…Dentro de la monitorización para el diagnóstico y rehabilitación de enfermedades neurológicas, cabe destacar la importancia de la monitorización de la marcha, ya que los pacientes que sufren una discapacidad en alguna extremidad inferior suelen tener una autonomía reducida, una peor salud física y una menor calidad de vida [2].…”

“…Cada año, se diagnostican más de 15 millones de casos de ictus, siendo una de las principales causas de discapacidad [1]. Además, unas 850 personas por cada millón de habitantes sufren una lesión de la médula espinal [2]. Sin embargo, las escalas clínicas que se utilizan más frecuentemente para el diagnóstico de estas enfermedades o lesiones son subjetivas y proporcionan una resolución limitada, lo que dificulta determinar con precisión cuál es el estado funcional del paciente y cuál es la terapia de rehabilitación más adecuada [3,4].Para evaluar la calidad de movimiento y la mejora del estado funcional de los pacientes gracias a las terapias de rehabilitación, se pueden emplear indicadores cinemáticos, basados en las medidas de diversos sensores [3].…”

“…Estos dispositivos pueden incluir sensores como acelerómetros, giróscopos, magnetómetros, barómetros, sensores de fuerza y receptores de GPS [6].Los sensores vestibles también pueden ser integrados en dispositivos de ayuda para la marcha [8]. En concreto, varios trabajos han investigado el uso de pequeños sensores integrados en una muleta, la cual es un dispositivo pasivo utilizado en la rehabilitación de la marcha [2,9,10,11,12,16,21].Actas de las XXXIX Jornadas de Automática, Badajoz, 5-7 de Septiembre de 2018 80…”

Algoritmo para la estimación del ángulo anteroposterior de una muleta sensorizada

“…Sin embargo, entre las diferentesáreas relacionadas con la salud, la rehabilitación es una de las que menos inserción tecnológica presenta. Tradicionalmente, la evaluación del paciente se ha hecho usando como estándares test clínicos con un carácter subjetivo y escalas con poca granularidad [1,2].…”