Exoskeletal systems design: assistive motion

Abstract

This doctoral thesis focuses on the field of human gait. Its purpose is to explore observation methods while proposing solutions to issues related to proper movement, by reproducing and studying problematic gait cycles. The human skeletal system includes bones and joints. Together with the muscular system, they are responsible for the posture and movement of the body. In contrast to other organisms that have an external skeleton, the human musculoskeletal system is located inside the body. Therefore, until recently, it was not possible to effectively enhance motorial or posture functions. Now, modern technological achievements create the conditions for the development of exoskeletal systems capable of addressing this issue with considerable success, whether it concerns people with mobility problems or people who are engaged in excessively strenuous work. Furthermore, in developed countries, the ever-increasing life expectancy and the continuous aging of the population increase the number of chronically motor-disabled people. Although conceptually it would be inappropriate to consider them as patients, it is necessary to develop mechanisms and systems for the self-care of these individuals. The main purpose of the research is the in-depth development of a biomimetic rig that can act as a gait cycle mechatronic simulator of high precision and repeatability, based on biometric data of volunteers or patients. Secondly, it is the conduction of a series of experiments and, in conclusion, the collection of measurements that confirm the correct functioning of the above equipment. The equipment that was produced during the thesis has the potential to be used as a measuring/capturing system for the assessment, among other things, of the performance of various exoskeletal systems. The research is focused on planar kinematics on midsagittal, parasagittal or median planes of the examined patient, accepting minimum lateral motion displacements. This analysis is typical and widely accepted by corresponding systems. The future research questions that can be answered with such simulation systems are divided into various categories depending on their scope. Most of the existing human gait observation systems record at least the coordinates of the three basic joints (hip, knee, ankle) in space. Through the coordinates of the three joints, conclusions can be drawn about the angle formed between the femur and tibia. Many medical studies derive useful diagnoses from this observation of the formed angle alone. A second category of conclusions is whether exoskeletal mechanisms can be attached to the human body, without altering the existing gait cycle in terms of range and type of motion. Furthermore, measuring energy consumption by the system, with and without the exoskeletal attachment on a foot mannequin, can produce objective measures of performance and therefore direct comparison between various mechanisms.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στον τομέα της ανθρώπινης βάδισης. Ο σκοπός της είναι να διερευνήσει τρόπους παρατήρησης και να προτείνει λύσεις σε θέματα που άπτονται της ορθής κίνησης, αναπαράγοντας και μελετώντας προβληματικούς κύκλους βάδισης. Το ερειστικό σύστημα περιλαμβάνει τα οστά και τις αρθρώσεις. Από κοινού με το μυϊκό σύστημα, είναι υπεύθυνα για τη στάση και την κίνηση του σώματος. Εν αντιθέσει με άλλους οργανισμούς που διαθέτουν εξωτερικό σκελετό, το ανθρώπινο ερειστικό σύστημα βρίσκεται εσωτερικά του σώματος. Συνεπώς, μέχρι πρότινος δεν ήταν εφικτή η αποτελεσματική ενίσχυση των λειτουργιών της στάσης και της κίνησης. Πλέον, οι σύγχρονες τεχνολογικές εξελίξεις δημιουργούν τις συνθήκες ανάπτυξης εξωσκελετικών συστημάτων ικανών να αντιμετωπίσουν με αρκετή επιτυχία το εν λόγω θέμα, είτε αφορά σε άτομα με κινητικά προβλήματα, είτε σε άτομα που ασχολούνται με υπερβολικά κοπιώδεις εργασίες. Περαιτέρω, στις αναπτυγμένες χώρες, το διαρκώς αυξανόμενο προσδόκιμο ζωής και η συνεχής γήρανση του πληθυσμού αυξάνουν τους χρονίως κινητικά πάσχοντες. Αν και εννοιολογικά θα ήταν αδόκιμο να θεωρηθούν ασθενείς, επιβάλλεται η ανάπτυξη μηχανισμών και συστημάτων για την αυτοδιαχείριση και τη φροντίδα των ατόμων αυτών. Κύριος σκοπός της έρευνας είναι η εις βάθος ανάπτυξη βιομιμητικού ικριώματος το οποίο θα μπορεί να εργαστεί ως μηχατρονικός εξομοιωτής κύκλων βάδισης υψηλής ακριβείας και επαναληψιμότητας, από στοιχεία βασισμένα σε βιομετρικά δεδομένα εθελοντών ή ασθενών. Δευτερευόντως είναι η διενέργεια σειράς πειραμάτων και εν κατακλείδι, η λήψη μετρήσεων για την επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας του ως άνω εξοπλισμού. Ο παραχθής εξοπλισμός της διατριβής έχει ώς μελλοντική χρήση την ικανότητα αξιοποίησής του και ως μετρητικό / καταγραφικό όργανο για την εκτίμηση εκτός των άλλων, της απόδοσης εξεταζομένων εξωσκελετικών συστημάτων. Η έρευνα εστιάστηκε στο πρότυπο κινηματικής ανάλυσης δύο διαστάσεων που περικλείονται σε ένα επίπεδο κίνησης παράλληλο με την κίνηση βάδισης του εξεταζομένου ασθενούς, δεχόμενοι μηδενικές κάθετες μετατοπίσεις . Η ανάλυση αυτή είναι τυπική και ευρέως αποδεκτή από αντίστοιχα συστήματα. Τα μελλοντικά ερευνητικά ερωτήματα που μπορούν να απαντηθούν με τέτοια εξομοιωτικά συστήματα χωρίζονται σε διάφορες κατηγορίες. Το πλείστο των υπαρχόντων συστημάτων παρατήρησης της ανθρώπινης βάδισης, καταχωρούν κατ’ ελάχιστον τις συντεταγμένες των τριών βασικών αρθρώσεων (ισχίου, γόνατος, αστραγάλου) στο χώρο. Μέσω των συντεταγμένων των τριών αρθρώσεων, μπορούν να παραχθούν συμπεράσματα για τη σχηματιζόμενη γωνία μεταξύ μηριαίου και κνημιαίου οστού. Πολλές ιατρικές μελέτες εξάγουν χρήσιμες διαγνώσεις από αυτή και μόνο την παρατήρηση της σχηματιζόμενης γωνίας. Μία δεύτερη κατηγορία εξαγομένων συμπερασμάτων είναι το κατά πόσον μπορούν να προσαρτηθούν εξωσκελετικοί μηχανισμοί στο ανθρώπινο σώμα, χωρίς να αλλοιώσουν τον υπάρχοντα κύκλο βάδισης ως προς το εύρος και το είδος κίνησης. Ακόμα, η μέτρηση κατανάλωσης ενέργειας από το σύστημα, με και χωρίς το εξωσκελετικό προσάρτημα επάνω σε ομοίωμα ποδός, μπορεί να παράξει αντικειμενικές μετρήσεις απόδοσης και άρα σύγκρισης / καταλληλότητας μεταξύ διαφόρων μηχανισμών.