APRÈN. Portal de la producció docent del professorat de la UPC

L'estimulació percutània del nervi vague auricular (aVNS) és una teràpia prometedora per tractar una àmplia gamma de malalties estimulant la branca auricular del nervi vague al llarg d'una via neuroanatòmica ben definida. Aquesta tècnica indueix canvis sistèmics de l'equilibri simpatovagal del sistema nerviós autònom amb un procediment mínimament invasiu. Els sistemes de bucle tancat en sincronització amb els senyals fisiològics dels pacients estan actualment en procés d'una extensa investigació clínica per aconseguir un tractament aVNS personalitzat i eficient. Set subjectes van rebre dues sessions de 50 minuts de l'aVNS percutània, sincronitzades amb les fases sistòlica o diastòlica, per tal d'investigar els efectes de la sincronització amb el cicle cardíac en el sistema nerviós parasimpàtic, del qual forma part el nervi vague. Es va utilitzar una sensació de formigueig per determinar el voltatge del llindar d'estimulació aplicat. Els elèctrodes van ser col·locats en la cymba de la conxa auricular i l'estímul va ser administrat durant 10 minuts, amb fases de referència i seguiment, en dos sessions. Els paràmetres de variabilitat del ritme cardíac i pressió arterial van ser analitzats en el domini de temps i freqüència, utilitzant els enregistraments d'ECG i pressió arterial per avaluar l'activitat vagal. L'estudi va revelar baixa reproductibilitat entre ambdues sessions i els subjectes van exhibir diferents tendències de paràmetres quan es van aplicar els dos tipus de sincronització en la estimulació. La col·locació dels elèctrodes d'agulles va provocar una hemorràgia local mínima. El llindar de voltatge d'estimulació aplicat als subjectes en la primera sessió va ser majoritàriament més alt que en la segona. En general, els resultats van mostrar un augment significatiu del to parasimpàtic durant l'estimulació sincronitzada amb la diàstole que en la línia de base. Aquí es van obtenir valors més alts de RR, rMSSD, HF i TP juntament amb un menor LF/HF, sense afectar les variables de pressió arterial. D'altra banda, la sincronització sistòlica augmentà la pressió arterial mentre que tingué un menor impacte en el to vagal. L'aVNS sincronitzat amb la diàstole podria permetre una estratègia terapèutica efectiva i personalitzada. No obstant, s'hauria de realitzar més recerca en l'àrea de l'estimulació cardíaca per corroborar els resultats d'aquest estudi més aviat petit

La manera més accessible de locomoció i activitat física en els éssers humans és caminar. Aquesta ac- tivitat es realitza gràcies al mecanisme d'inhibició recíproca, controlat pels circuits inhibitoris espinals i supraespinals. La idea d'aquest mecanisme és desactivar el múscul antagonista mentre es contrau l'agonista, permetent la coordinació muscular adequada durant la marxa. La interrupció de les fibres espinals després d'una lesió medul·lar desajusta el control de la inhibició reciprocal. El resultat d'aquesta manca de control és una coactivació dels músculs antagonistes gen- erant espasticitat a les extremitats inferiors, cosa que genera alteracions a la marxa. La importància de la recuperació de la marxa per a la independència i la reintegració del pacient a la societat, ha incrementat el nombre de teràpies emergents de rehabilitació de la marxa. Una daquestes teràpies, lestimulació del nervi perifèric, ha demostrat resultats prometedors. Aquesta teoria és la base dáquesta Tesi de Màster que té com a objectiu desenvolupar una plataforma de neuromodulació de la marxa que indueixi la neuroplasticitat dels circuits espinals, millorant els valors de inhibició recíproca. La idea és aplicar una estimulació aferent al Nervi Peroneal Comú que inerva el múscul Tibial Anterior per induir la inhibició recíproca al múscul antagonista Soli. Aquesta plataforma ha estat validada en 20 voluntaris sans per avaluar-ne l'eficàcia. La primera part del protocol experimental és una anàlisi del cicle de marxa per avaluar l'activació de cada múscul durant les diferents fases del cicle de la marxa. Després, amb la intervenció d'estimulació prèvia, hi ha una avaluació de l'activitat del múscul antagonista analitzant el reflex H del soli. La inter- venció d'estimulació aferent s'aplica durant un entrenament de marxa amb una durada de 10 min- uts, utilitzant tres estratègies diferents depenent del pacient: estimulació 'In-phase' durant la fase d'oscil·lació, estimulació 'Out-of-phase' durant la fase de postura, i 'Control' per comprovar si la es- timulació té un efecte real. Els processos finals del protocol són dues avaluacions de l'activitat de soli, una immediatament després de la intervenció i una altra 30 minuts després per avaluar la durada dels efectes. Els resultats obtinguts demostren que l'estimulació elèctrica aferent té un efecte real en la modulació de la inhibició recíproca. D'una banda, quan s'aplica l'estimulació elèctrica durant la fase d'oscil·lació, hi ha una millora de la inhibició recíproca. D'altra banda, quan s'administra l'estimulació durant la fase de postura, hi ha un empitjorament de la inhibició recíproca. Aquests resultats conclouen que l'estimulació elèctrica aferent, a la fase d'oscil·lació del cicle de la marxa, és una estratègia prometedora per induir la inhibició recíproca en pacients amb lesió medul·lar. La inducció d'aquest circuit inhibidor generarà a l'activació adequada dels músculs durant la marxa, recuperant el cicle de marxa normal

Per analitzar l'efecte de la rehabilitació de la marxa assistida per robòtica controlada amb interfícies cervell-màquina, cal garantir una estratègia per avaluar la biomecànica de la marxa registrant dades que no es vegi alterada per les tecnologies de rehabilitació. Amb aquesta finalitat, es desenvolupa un protocol per mesurar la cinemàtica de les extremitats inferiors en els tres plans basat en Unitats de Mesurament Inercial (IMU). Per avaluar la precisió i la fiabilitat del sistema IMU, es valida amb un dispositiu de referència d'alta precisió, un sistema optoelectrònic. La validació del protocol es realitza en un subjecte sa en dos passos: 1) provant quatre configuracions diferents de les IMU per identificar el model òptim de registre de dades de la marxa, inclòs el nombre i la ubicació dels sensors, ja que aquests afecten la sortida del sistema, i 2 ) validació de les IMU amb Vicon mitjançant registres de marxa sincrònica (Condició 1) i caminada assistida per exoesquelet (Condició 2). Els coeficients de correlació múltiple d'un dia (CMCw) de Kadaba i la seva reformulació, el CMC interprotocol (CMCp), s'utilitzen respectivament per a la part 1 i la part 2 per avaluar la similitud de la forma d'ona de cada angle d'articulació de l'extremitat inferior, eliminant l'entre- variabilitat del cicle de la marxa. A més, s'estudien altres paràmetres per avaluar l'error tecnològic i les diferències entre els models biomecànics, com ara la correlació de Pearson, el rang de moviment, l'offset i l'error quadràtic mitjà. Per a la part 1, es conclou que la configuració òptima per a la resta del projecte és el model 2, que mostra bons valors de CMCw per a cada angle d'articulació (CMCw ≥ 0,8). Durant la prova de marxa (part 2, condició 1), el CMCp mostra que la cinemàtica de la marxa mesurada pels dos sistemes per a l'extremitat dreta és equivalent, demostrant la precisió de les IMU, per al maluc i la flexió/extensió del genoll (CMCp = 1) i per a la adducció/abducció del genoll (CMCp = 0,91). Per a la marxa assistida per exoesquelet (Part 2, Condició 2), després d'ajustar la posició de les IMU situades als turmells, la cinemàtica de la marxa de l'extremitat dreta és equivalent per a cada articulació del pla sagital (CMCp ≥ 0,9), per al genoll. i el turmell en pla frontal (CMCp ≥ 0,95), i per al maluc en pla transversal (CMCp = 0,99)

Avaluar de forma objectiva i quantitativa la interacció física entre humans i exoesquelets (pHEI) és crucial en el desenvolupament de robots wearables. No obstant, aquesta tasca pot suposar un repte, sobretot per als exoesquelets en fase inicial, on la realització de proves amb humans pot plantejar problemes ètics i de seguretat. A més, actualment falten protocols establerts i mètriques estàndards per realitzar aquesta avaluació, que és fonamental per garantir l'ergonomia, eficàcia i seguretat d'aquestes tecnologies. Aquest projecte presenta una metodologia per a l'avaluació de la pHEI, orientada a estudiar la interacció entre l'exoesquelet actiu de genoll desenvolupat pel Grup BIOMEC de la UPC i la rè- plica de cama mecatrònica desenvolupada pel Grup de Neurorehabilitació del CSIC. D'aquesta manera, es va poder comprendre com afecta a la dinàmica d'interacció el mecanisme de com- pensació inclòs en l'exoesquelet per reduir les desalineacions. Es van realitzar una sèrie de proves pilot fent servir la rèplica de cama per mesurar les forces d'interacció amb l'exoesquelet posat. Aquestes proves, caracteritzades per ser repetibles, es van realitzar variant les condicions de desalineació inicial i del dispositiu responsable d'impulsar el moviment, així com variant si el mecanisme de compensació de desalineació implementat en l'exoesquelet estava habilitat o no. Els resultats van mostrar que el mecanisme de compensació va ser capaç de reduir les forces d'interacció. Aquest efecte positiu va ser més evident quan l'exosquelet es movia de forma passiva i la rèplica de cama produïa el moviment. Gràcies a les proves experimentals, es van identificar àrees específiques de millora per a l'exoesquelet i per a la metodologia proposada, el que suposa solucions més específiques per a futurs estudis. En conclusió, aquest treball demostra la gran capacitat de la rèplica de cama per quantificar la pHEI i les avantatges d'incorporar el mecanisme de compensació de desalineació en l'exoesquelet de genoll. A més, la metodologia proposada en aquest estudi va demostrar el seu potencial per accelerar el desenvolupament iteratiu de nous dispositius abans de la seva prova en humans

The main goal of this project is to increase our fundamental understanding of proprioception, by analyzing electroencephalogram (EEG) signals measured during the execution of a robotic proprioceptive task, the Criss Cross task. The task involves the FINGER robot crossing the index and middle fingers of the participants, who then have to press a button when they perceive the fingers to be overlapping, without visual cues. We are interested in using this assessment to study neural processing related to proprioception, as proprioception plays a key role in evaluating our motor performance and may be predictive of post-stroke individuals responsiveness to motor therapy. This study, conducted with 9 healthy and 9 stroke subjects performing the assessment with their right hand, has enabled the identification of EEG features related to proprioception in the P3 and Cz channels. The analysis of healthy subjects revealed characteristics in the event- related potential and event-related desynchronization of EEG data associated with propriocep- tion when participants were actively engaged in making task-related decision based on pro- prioception (Criss Cross Pressing Button task) compared to when they were not (Criss Cross Non-Pressing Button task), indicating that active engagement of proprioception is necessary for the task. Furthermore, greater proprioceptive effects were observed when the robot moved the fingers at a higher speed. The comparison of healthy subjects to stroke subjects before and after proprioceptive training also revealed differences in brain response localization, with greater focalized response in healthy subjects. In particular, the P3 channel displayed greater amplitude in healthy subjects compared to stroke subjects activity measured before training. Slight increases in response amplitude were observed in the stroke population after training, suggesting possible improvement in proprioception among stroke patients after rehabilitation. The results obtained in this project are promising and show a clear line of research for the relationship between proprioception and motor recovery in stroke patients. The next task to reinforce these results would be to perform the study with a larger sample size, which means a larger number of patients submitted to the experiment

L'ictus afecta anualment a 12.2 milions de persones arreu del món i és la principal causa de discapacitat adquirida en adults. Les deficiències més comuns en els supervivents de l'ictus són els trastorns motors que, juntament amb les afectacions cognitives, dificulten la deambulació comunitària i indueixen a una vida sedentària. La robòtica pot exercir un paper prometedor en la rehabilitació de la marxa de persones amb ictus. Actualment, estan sorgint dispositius robòtics portables que complementen la rehabilitació convencional de la marxa i augmentar la capacitat dels pacients per caminar de forma independent. El dispositiu ABLE-S és un exoesquelet de genoll unilateral, portàtil i accionat que proporciona assistència per millorar l'estabilitat del genoll durant la fase de recolzament i assisteix a la flexió i a l'extensió durant el temps de vol. Durant el desenvolupament d'aquesta tesi, s'ha dissenyat un protocol experimental per: (1) avaluar els efectes de proporcionar assistència i resistència a la flexió del genoll a les persones amb ictus i, (2) avaluar la usabilitat i la percepció dels usuaris sobre el dispositiu. Les proves amb participants amb ictus crònic (n=6) van demostrar que caminar amb l'exoesque- let indueix a una reducció significativa dels moviments compensatoris de la pelvis (-22.2 %) i del patró espacial de la marxa (-32.94 %). Tots els participants van millorar el control de l'equilibri (2.95 %) degut a millores en les fases de recolzament simple i doble. Quan l'exoesquelet es va utilitzar en el mode assistiu, no es van observar canvis significatius en les mètriques espacials. No obstant això, el patró temporal de la marxa i la fase de recolzament doble van disminuir significativament (32.59 % i 3.53 %, respectivament) i el pes del dispositiu va suposar un hànd- icap. Finalment, no es van observar diferències significatives entre els modes d'assistència i de resistència. Les avaluacions d'usabilitat van demostrar que la majoria del temps de preparació es va dedicar a posar (117.2 ± 33.9 segons) i treure (38.7 ± 18.5 segons) el dispositiu al participant. Segons el test QUEST 2.0 modificat, el dispositiu va tenir un alt nivell d'acceptabilitat per part dels participants després de la primera sessió (4.2 ± 0.3) i de la última (4.5 ± 0.3). El pes i les dimensions van ser els elements que van rebre pitjors puntuacions. Els resultats obtinguts de les proves realitzades amb els participants de l'estudi van demostrar que l'efecte proporcionat per l'exoesquelet té una repercussió limitada en la biomecànica de la marxa d'individus amb deficiències lleus i moderades causades per l'ictus. Per tant, si com- parem els efectes biomecànics immediats aconseguits amb l'assistència d'altres articulacions com el maluc o el turmell, assistir només el genoll és insuficient. El treball futur hauria d'incloure una mostra més gran amb un major període d'entrenament amb la cinta i el dispositiu. A més, s'haurien d'incloure altres qüestions sobre l'efecte de l'entre- nament amb l'exoesquelet, el seu pes i la relació entre els paràmetres de control de la flexió del genoll i les mètriques biomecàniques

Muscle torque generators (MTGs) can be used as an alternative of detailed musculoskeletal models in computer simulations of human movement, and have been used by researchers to generate accurate dynamic simulations while mantaining a reasonable degree of biofidelity. The main goal of this thesis is to improve the reliability of two torque-driven models (i.e., at skeletal level) of different complexity when muscle torque generators are added to them in order to perform a concrete motion. For this purpose, we defined two problems based on different optimal control techniques. The first problem predicts the motion of a simple pendulum model and the second one tracks experimental data from a human walking motion in a 2D HAT (head, arms and trunk) model. In both problems, two versions of the models are considered: a torque- driven version and a version in which muscle torque generators are employed. Both torque- driven models are obtained from the OpenSim repository and the implementation of the MTGs has been programmed with M AT LAB. For each problem, different studies were conducted to reach the stated goal. In the predictive problem, several simulations were carried out based on different initial and final conditions. Subsequently, a qualitative evaluation between both models showed that muscle torque gener- ators were slightly advantageous than its torque-driven version when the studied simulation encompassed a shorter range of motion. Conversely, in the tracking problem, a more complex study was performed, based on different optimal control formulations. A final quantitative as- sessment showed that the tracking in torques was adequate and quite similar between models, but when tracking experimental coordinates the torque-driven version provided better results. Despite the fact the tracking with MTGs was correct, a more realistic behaviour than its torque- driven version was expected. This project can be considered a first research work in muscle torque generators modelling in the Biomechanical Engineering Lab (BIOMEC) at UPC. Thus, further studies would need to be conducted in order to obtain a more realiable modelling. Parameters such as the maximum isometric torque or the characteristic musculotendon curves involved in the MTGs could be more in depth investigated to gain better insights.

Robotic gait assistance devices can help the rehabilitation and quality of life of the patients who suffer from spinal cord injury or other neuromuscular disease. The main objective of this bachelor's thesis in Industrial Technologies Engineering is fo- cused on the obtention of a model of a lower limb exoskeleton and the modelling of the device-user interface contact model in OpenSim which is an open source software de- veloped by the Stanford University. With this model, the final goal pursued is to make predictive simulations of the motion with a biomechanical model of a patient. The results of this thesis can be used to study mechanics involved in a motion of a patient wearing this type of exoskeleton. This thesis contains a relevant background on the topic followed by a practical part where the modelling, simulation and optimization of an exoskeleton is made. The first step is to create a biomechanical model of an exoskeleton using OpenSim. The human body is modelled with a multibody system using rigid bodies. A simple three- dimensional model of a human body formed by 12 bodies simulated as a HAT (head, arms and trunk) is used to add a two bodies exoskeleton. There are three different approaches studied to add this exoskeleton to the human body. Thus, three biomechanical models are created and studied. Secondly, five motions are captured in the UPC Biomechanics Laboratory in order to per- form the kinematic and dynamic simulations in OpenSim. The final practical step is to use the captured motion to study the behaviour of the ex- oskeleton in the laboratory, and then adjust the mechanical parameters set when mod- elling the device-user contact interface. Adjusting the mechanical parameters of the bush- ing forces is not evident. Thus, a methodology to find them is created. Finally, the model found of the exoskeleton is studied dynamically. Predictive simulations are performed with it, where the motion of the exoskeleton is simulated when the motion of a person wearing it is prescribed. The results of this thesis are satisfactory because a fully functional model of an exoskele- ton validated using real data captured from a real motion. The kinematic and dynamic analysis seen in this project show positive results and aim to be a precedent for future studies in this research. Nevertheless, there is still future work to be done testing the exoskeleton on more patients and analysing the results in a wider variety of tests. Fur- thermore, further research on this topic can be done in some areas such as automation of the process of calibrating the mechanical properties of the bushing forces, so more types of exoskeletons can be used.

Hemiplegia is one of the main causes of disability for adults in the European Union and in the world. About 80 % of affected people experience deficits in motor control, which cause problems in gait and balance. There are some assistive devices that help people with hemiplegia during gait but they have some adverse effects that reduce the improvement of rehabilitation outcome. Nowadays, ankle exoskeletons are being developed to provide gait assistance and improve the rehabilitation process. ABLE-S is a wearable, unilateral, powered ankle exoskeleton that provides adaptive assistance to improve forward propulsion and foot clearance in people with hemiplegia. During the de- velopment of this thesis, an experimental protocol has been designed in order to: (1) test the feasibility of the exoskeleton ABLE-S, (2) collected the subjective opinion of the participants by questionnaires and (3) analyze the effects of control parameters on clinically meaningful biomechanical metrics to further develop adaptive controllers. Tests with participants with chronic hemiplegia (n = 9) showed that walking with ABLE-S cor- rected foot drop significantly (25 % of improvement) while reducing hip compensatory move- ments by 16 %. Asymmetrical temporal and spatial gait patterns were reduced (17 % and 39 %, respectively) leading to less exhaustion together with better balance control. Finally, the device also increased the foot tilting angle by 378 %. 78 % of the participants indicated that they were satisfied with their performance walking with the robotic assistance and 56 % would use the device for community ambulation. The assistance and weight of the device were the features that received the best and worst scores respectively. Relationships for changes in both DF and PF peak magnitudes, and PF peak timing were ex- tracted. Regarding DF peak magnitude, a significant relation was only found for the temporal symmetry index. Changes in the applied PF parameters were not only correlated with a variety of temporal and spatial parameters but also with compensatory movements, e.g., hip hiking. The high influence of the robotic plantarflexion action compared to the dorsiflexion one might highlight that control strategies for hemiplegia rehabilitation should focus on providing adap- tive plantarflexion assistance based on the level of impairment. The obtained results from the tests performed showed that ABLE-S assistance can improve the gait pattern of individuals with mild-to-moderate gait impairments from hemiplegia as par- ticipants received relevant benefits after only 15 minutes of practice. The results of these tests highlight the need of design iterations focusing on weight and adaptability to increase the per- formance, usability and acceptability of the device. The results also helped to propose an adap- tive control strategy to adapt the three control parameter of the exoskeleton based on real-time data capture from wearable sensors presented in ABLE-S. Future work should include larger cohorts with higher acclimation periods and training time to explore the upper limit of ankle exoskeleton assistance. Studies have to be composed of multiple training sessions to study motor learning and time to adapt to the exoskeleton.

Spinal cord injury is a neurological disorder that affects millions of people worldwide that can cause motor disabilities. It seriously affects the patients and the people around them. Advancements in robotics have developed assistive devices such as wearable exoskeletons for rehabilitation and assisted motion. Moreover, research on functional electrical stimulation (FES), makes it possible to use neuroprostheses to induce muscle contraction using electrical stimula- tion. The objective of this bachelor thesis is to use optimal control to design hybrid strategies for as- sisted walking combining wearable exoskeletons and neuroprostheses for patients with motor disabilities. Optimal control techniques are used to find and optimize assisted walking strate- gies. The first part of this thesis describes the theoretical background of human movement biome- chanics and analysis, spinal cord injury, and optimal control techniques and applications. It explains in detail the methods and resources used. Afterward, using the software OpenSim and Matlab, optimal control problems are designed for assisted walking motion. Lastly, the results of the different assistive walking cases are presented and discussed. The results obtained show various combinations of assistive walking. Both exoskeleton and neuroprosthesis options are analyzed individually and then, different combinations of hybrid strategies are analyzed. The results present how using more exoskeleton and less neuropros- thesis and vice versa affects assisted walking. In the long run, further research on the field can lead to significant improvements in the lives of patients.

The human nervous system is a complex neural network that is capable of learning a wide variety of cognitive and motor skills. The brain processes and interprets the electrical signals that come from the senses, and generates a response signal that activates and controls our muscles. The optimal pathways for a wide variety of responses are continuously being learned and improved by the nervous system since birth, which makes the modeling of the control system of the human body quite challenging. Moreover, the rehabilitation process, where the brain tries to find new pathways to bypass the damaged ones, is not yet fully understood. Reinforcement learning (RL) techniques are very effective for controlling the motion of mechanical systems. For instance, control systems based on artificial neural networks can learn optimal control strategies in both simulated environments and the real world. RL algorithms can also adapt and learn any changes in the system, which makes them very interesting for rehabilitation. The main goal of the project is to understand the changes that occur in our neural system during learning and rehabilitation using RL algorithms based on artificial neural networks, and ultimately assess and improve patient rehabilitation techniques. In addition to developing control strategies for biomechanical models of the human body to perform different tasks (walking, jumping, running, etc.), as well as analyzing both physiological and non-physiological cost (or reward) functions and the possible relations between them.  The student will have to understand how the biomechanics of the human body is modeled and simulated, and will perform simulations of different tasks with a human body model using OpenSim in Python. Optimization of the learning process will also be explored, using for instance solutions of the classical optimal control problem to bootstrap the RL algorithm and reduce training time.

Muscular Dystrophies refers to a group of genetic diseases which cause progressive weakness and degeneration of muscles used during voluntary movement. Many affected people use powered wheelchairs, increasing the muscle loss due to the lack of activation of the upper limb muscles. In order to improve the muscular condition of these subjects was born the powered wheelchair MOVit project. This wheelchair is controlled moving back and forth both arms. The objective of this thesis is to develop an entertaining interface composed by a proof-of-concept car robot, named MOVit Lite, for a future application in the MOVit system controlled with the GripAble hand-training tools. The rehabilitation interface, together with different control modes, have been tested on two impared and two unimpaired subjects. In order to check the exercise of the subjects' upper limb muscles, muscle activations, heart rate and the arm range of movement during the different exercises have been experimentally measured. The results showed that while exercising with the MOVit Lite system the muscle activation of the upper limb targeted muscles exceeded 20% of the Maximum Voluntary Contraction for one Becker Muscular Dystrophy subject. The other impaired participant reached a muscular activation of 87% of Maximum Voluntary Contraction the Deltoideus Posterior with a standard deviation of 32%. Regarding the metabolic cost, the interface does not require a high intensity of work as the mean heart rate during the activity was similar to the one in rest for all the participants. The range of motion of the arms obtained with the MOVit control mode was similar for unimpaired and impaired subjects, reaching up to 30 ± 7 cm for one unimpaired subject. The wrist rotation of the joystick control mode is also similar and reaches for one impaired subject up to 85° with a standard deviation of 6°. The feedback from the participants was positive marking the system as entertaining for daily use. The MOVit Lite system has fulfilled the main objectives stated at the beginning of the project. Further tests with a larger sample of impaired subjects need to be carried out. Future steps also include the integration of this system in the powered MOVit wheelchair, which is an ongoing process. We are developing the hardware and control codes to get the same good performance as with the MOVit Lite system, developed in this master's thesis

Introduction: Ankle exoskeletons are emerging as a promising solution to accelerate post-stroke gait rehabilitation. One key element for the effectiveness of the exoskeleton is the weight distribution not to influence the comfort and metabolic cost. Bowden cables transmissions are an alternative solution to on-joint actuation that allows for a redistribution of the weight of the actuators from distal parts to more proximal ones. Methods: A Bowden cables-based actuation testbench has been developed considering biomechanical factors of unimpaired and post-stroke subjects to validate the feasibility of this mechanical transmission. Efficiency and ROM gain between the input and the output of the system have been measured taking into account: (1) the lubrication of the cables, (2) preload levels and (3) output load working range in different experimental conditions while emulating the ankle passive impedance of post-stroke adults. Results & Discussion: For this specific transmission and some previously defined experimental factor levels, efficiency of the system increased with: (1) PTFE-based dry lubrication, (2) higher preload levels and (3) higher output loads. Regarding the ROM gain, it increased with (1) higher preload levels and (2) lower output loads. The highest output torque of the system has been 10 Nm with a working efficiency around 70% (peak efficiency of 92%) and a ROM gain of 0.7745±0.0063. Conclusions: The proposed Bowden cables-based actuation system showed a great potential to be implemented in an ankle exoskeleton for people with stroke. Nevertheless, the obtained efficiency and ROM gain values have not reflected a great performance for the designed transmission. Further tests should be carried out with new materials, a redesign of the preloading mechanism and the use of more powerful actuators.

Desenvolupar un model de contacte peu-terra adequat és important per dur a terme simulacions simulacions al caminar, córrer o saltar. Com més precises són aquestes simulacions, faciliten desenvolupar tractaments clínics o estudiar el moviment que es realitza en fer esport. En aquest projecte es realitza un estudi de diferents models de contacte peu-terra. Es presenta un fons teòric sobre la marxa humana, la modelització del cos humà i l?anàlisi dinàmic del moviment humà. També es presenta una revisió bibliogràfica dels models de contacte peu-terra més utilitzats de la literatura. Utilitzant dades de cinemàtica i dinàmica recollides al Laboratori de Biomecànica de la UPC (a ETSEIB), es realitza una anàlisi dinàmica per obtenir coordenades experimentals, velocitats, acceleracions i moments. Per realitzar-lo, s?utilitza un programari per modelar, simular i analitzar el sistema neuromusculoesquelètic anomenat OpenSim. S'han triat tres models de contacte peu-terra diferents per implementar-los i adaptar-los a Matlab. Amb l'ajut de GPOPS-II, un programari basat en Matlab que resol problemes de control òptim de multifase, es desenvolupa i s'implementa un mètode de calibració òptim basat en control. Cada model es calibra deixant que els valors del paràmetres del model variin fins a trobar una solució òptima, seguint la mateixa metodologia per a tots els models. Dels tres models, la simplificació feta del model proposat per Jackson et. al. [1] presenta millors resultats que els altres. Al final d?aquesta tesi es presenten els resultats finals i es discuteixen. A més, en una secció final, s'exposen les conclusions de la tesi, on futurs treballs són proposats per continuar amb aquest estudi. Al llarg d?aquest treball de fi de grau, s?informen i detallen tots els processos implicats en el desenvolupament dels models i les calibracions òptimes basades en el control, així com la metodologia emprada.

Motion prediction is a field of great interest in sports and rehabilitation because it can help to determine the best way to perform a sport movement, to choose the optimal treatment for a specific patient, or to personalize an assistive device. The main objective of this bachelor's thesis is to develop an optimal control framework to predict human motion. The iomechanical simulation software OpenSim has been used to develop the biomechanical model and perform inverse dynamics analysis, and the direct collocation optimal control software Moco has been used to formulate and solve the optimal control simulations. Once the optimal control framework is developed, it has been used to predict human motions, in this thesis, the squat-to-stand and the walking 2D motion. Their cost functions have been modified to predict the most accurate motion.This project includes a theoretical background, a description of what is human motion, the two target motions, the analysis types and the optimal control techniques for human motion prediction. We explain the models used, the reference data and the framework of OpenSim Moco. For every motion, the biomechanical model and the problem formulation are presented in detail, with their results and discussion. Finally, we exposed the environmental, social and economic impact of the project. Regarding the results of this thesis, the most accurate motion is reached by implementing the state tracking goal. It also has been appreciated that the kinetic energy goal improves convergence but it needs some kinematic constraints for a correct motion execution. Moreover, the control goal complemented with tracking does not bring any extra help but it could be a useful cost term for prediction without or little tracking. Regarding the reality of the motion predictions, the squat-to-stand one has been executed as a real one, whereas the gait has not been real since a contact model was missing and, besides, the model used is not a full-body one

The human ankle joint plays a crucial role during walking. Due to disorders or injuries, thepotential of the ankle plantarflexors can be negatively altered and lead to a reduction ofmobility. In this situation an active ankle-foot orthosis (AAFO) can significantly enhancethe rehabilitation or the assistance of the affected patients. Currently, ABLE human motionis developing an exoskeleton for lower limb with 1 degree of freedom in the sagittal plane.The objective of this device is to allow people suffering from a low spinal cord injury to walkagain. The main issue of the current prototype is the absence of power source to provoke aforward progression of the leg during the push-off phase of the gait.In this paper, a new active ankle foot orthosis model is presented. To enhance the initi-ation of the swing, the ankle needs to provide a burst of power during the terminal stancephase. However, one of the main challenges in developing AAFOs is to find the balancebetween the design requirements of wearability and the high power requirements. Prior tothe actuator selection, a semi-systematic review is conducted to better understand the roleof the ankle joint during the gait and the most adequate actuator to use in our application.Subsequently, first model of AFO powered by a parallel elastic actuator (PEA) is developed.The design of the model aims to minimize the peak power requirements of the actuator.Since the weight of the motor is directly correlated with the power it generates, reducing thepower helps to keep the AFO under an acceptable weight. The potential benefits of the PEAare studied using 4 different models. Throughout the results analysis, non-backdrivability,unidirectional spring, peak power and energy consumption are evaluated.The integration of a unidirectional spring or a self-licking system did not improve theminimization of the peak power for this application. However the PEA actuator allows apeak power reduction of almost 60%using the parallel spring to provide the push of burstof power adequately. The work achieved in this thesis paves the way to further investigationsof the AAFO powered by a PEA and represents a first step to the integration of an AAFOin the current ABLE leg prototype.

Avui en dia, l'ús de robots en l'àmbit domèstic està en desenvolupament. Les tasques domèstiques són molt variades i estan relacionades amb objectes de diferents formes i textures, la qual cosa dificulta en gran mesura el disseny de robots capaços de realitzar-les totes. Actualment, els robots saben interactuar bastant bé amb objectes rígids o fins i tot semi-rígids, però encara els és molt difícil manipular objectes deformables, com ara la roba. És indiscutible que moltes de les tasques domèstiques estan, d'alguna manera, relacionades amb la roba: plegar-la, desplegar-la, transportar-la, etc. Per aquesta raó, en aquest projecte es proposa un prototip de mà robòtica capaç de dur a terme una gran quantitat d'aquestes tasques de manipulació de materials tèxtils. Per a dur a terme el disseny d'aquest prototip, en primer lloc, s'ha hagut d'investigar quines solucions existeixen actualment per a aquest problema o similars i determinar amb quines funcions es vol que compti la mà o quines tasques es vol que pugui ser capaç de dur a terme. Aquestes qüestions queden resoltes als apartats 2 i 4, respectivament. D'aquí sorgeixen les necessitats i les restriccions de la mà presentades a l'apartat 5. A continuació s'han dissenyat una sèrie de prototips (apartat 6). Amb tots ells s'han fet proves i s'han tret unes conclusions que han influït en el disseny dels següents, en què s'han inclòs totes aquelles millores que s'han considerat oportunes a partir de les proves fetes. Finalment, a l'apartat 7 es presenta el prototip final. El resultat del projecte és una mà multifuncional que permet realitzar una àmplia varietat de tasques i ofereix la possibilitat de dur a terme altres manipulacions no estudiades en l'avaluació d'aquest projecte gràcies a la seva versatilitat pel que fa a agafades i contactes. A més, s'inclou una comprovació de la seva resistència estructural mitjançant elements finits (apartat 8). L'obtenció d'aquesta mà suposa un avenç; en el món de la robòtica assistencial. El disseny mecànic proposat és el definitiu. No obstant, de cara a obtenir la mà definitiva, es preveu la incorporació de sistemes sensorials que permetin que el projecte representi un pas real cap a una societat assistida per robots.