Development of strategies to reduce energy expenditure for lower-limb active orthoses

El uso de las órtesis activas es cada vez más habitual tanto en el campo de la rehabilitación como asistencial. Las órtesis activas o exoesqueletos de asistencia a la marcha humana son dispositivos de uso externo para pacientes con problemas de movilidad que aportan la fuerza y movilidad que le falta al usuario. El uso de estos dispositivos puede ser óptimo diario, integrado en el mayor número de actividades cotidianas posible. Pero las órtesis activas comerciales actuales no tienen autonomía suficiente para proporcionar la potencia consumida durante toda una jornada. Las baterías actuales no proporcionan los requerimientos de potencia que demandan estas órtesis activas. Aumentar la autonomía energética se ha convertido en uno de los grandes retos para el desarrollo de estos estos dispositivos. En general, el consumo energético de los robots bípedos de uso general es significativamente mayor que el de los humanos u otros bípedos mamíferos. A partir de un minucioso análisis de la marcha humana y la anatomía de la locomoción desde el punto de vista energético y basándose en el estado del arte de la robótica, en esta tesis se propone una estrategia híbrida para reducir el consumo energético en la marcha, primando la aplicabilidad y la fiabilidad para implementarla en el exoesqueleto ATLAS. En el campo de los robots bípedos se distinguen fundamentalmente tres estrategias de eficiencia energética: 1. Optimizar las trayectorias a seguir por el extremo de la pierna para minimizar una función objetivo relacionada con la energía consumida. 2. Aprovechar la dinámica pasiva (energía potencial y cinética) de la pierna del robot para realizar el movimiento subactuado o con poca inyección de energía. 3. En el diseño de la extremidad robótica, modificar su dinámica incluyendo elementos y mecanismos elásticos en las articulaciones para reducir las pérdidas de energía en los impactos con el suelo y para acumular y soltar energía en las fases de la marcha donde el comportamiento energético de las articulaciones sea el mismo que el de un elemento elástico. En esta tesis se propone una aproximación híbrida, que trata de aunar los beneficios de cada estrategia anterior. Habitualmente los pacientes objetivo, hacia los que está enfocado el diseño de estos exoesqueletos, tienen límites articulares importantes, flexos de cadera, rodilla y una marcada limitación en el rango de flexión en el tobillo. Así, la primera estrategia presentada no es directamente aplicable, puesto que la trayectoria del extremo efectivo en las órtesis activas debe calcularse respetando las restricciones anatómicas del paciente. La segunda y tercera estrategias planteadas se logran en esta tesis proponiendo e implementado un esquema de control de rigidez en un actuador de rigidez variable (VSA). Gracias a esta estrategia de variación de rigidez se pueden implementar en una misma articulación estrategias de control basadas en la dinámica pasiva en la marcha, mientras que se puede aportar el par necesario para un control rígido en posición en fases de mayor demanda de par, permitiendo así subactuación en fases de la marcha donde inercia inherente al movimiento es suficiente para mantenerlo y también aportando el alto par necesario para que la órtesis realice movimientos más versátiles y no cíclicos, como maniobras de sentar y levantar al paciente. A su vez, estableciendo la rigidez adecuada a la articulación, se reduce el consumo en los cambios de dirección de la articulación y se puede almacenar y liberar energía en ciertas fases. Las estrategias de control de la locomoción propuestos se han validado a través de su implementation en el prototipo de órtesis activa ATLAS. En esta experimentación se refleja la importancia de la variación de rigidez en relación con una marcha eficiente. Esta estrategia híbrida logra una reducción en el consumo energético de 40 %, mientras se mantiene la robustez y fiabilidad de la órtesis activa con actuadores rígidos. Los resultados del trabajo de investigación han dado lugar a ocho publicaciones en revistas científicas indexadas y 14 artículos en congresos internacionales, varios de los cuales han sido premios por su excelencia científica y técnica. La tesis doctoral ha tenido un impacto relevante en el área de la robótica de rehabilitación ya que sus resultados están utilizándose en entornos reales, dado que los exoesqueletos de marcha pediátricos, transferidos a la empresa de base tecnológica, están siendo utilizados en dos hospitales del país en la terapia de enfermedades neuromusculares en la infancia. ----------ABSTRACT---------- Lower-limb exoskeletons and powered orthoses are non-invasive devices that assist patients with locomotive disorders to achieve correct limb movements. The intended use as an assistive device for daily life activities still encounters barriers to practical implementation. Current batteries cannot meet the long-term power requirements for these devices, which need to operate for long periods. This issue has become a major challenge in the development of these portable robots. Conversely, legged locomotion in animals and humans is efficient. This thesis explores the methods to reduce energy consumption in the motion control of gait exoskeletons and especially its applicability and feasibility. From a thorough analysis of the human gait from the energetic point of view and based on the state of development of robotics, a hybrid strategy is proposed to reduce energy consumption in the gait cycle. Three major research areas can be distinguished in energy-efficient biped walking robots: _ The first research area focuses on developing optimal gait trajectories for active walking robots. These trajectories are obtained with optimization procedures to minimize an objective function. _ The second research area focuses on exploiting the passive-dynamic of the robot legs. In the first place, the research is focused on non-active mechanisms that descend ramps taking advantage of the energy of gravity and the elastic energy of the impact. Subsequently, by applying these concepts, it is possible to make robots that walk on flat ground providing only the energy, previously contributed by gravity, to take advantage of the elastic energy of the impact. _ In the third area, the leg dynamics is modified by including passive or active elastic mechanisms in the joints to reduce energy losses caused by the impact with the ground and to store and release energy for an improved energy-efficiency. In this thesis, a hybrid approach is proposed, because several strategies to reduce consumption are going to be applied, taking advantage of the benefits of each area. The trajectory in pediatric active orthoses is calculated according to the physiological needs of the patient. The gait control approach will explode the natural dynamics of the leg; actively modifying joints dynamics by the use of Variable Stiffness Actuators (VSA). By the application strategy of stiffness variation, control strategies based on passive dynamics can be implemented in the same joint, while the necessary torque can be provided for a rigid control in position in phases of higher torque demand, allowing subactuation in gait phases where inherent inertia is enough to take advantage of it and also providing the high torque necessary for the orthosis to perform more versatile and non-cyclic movements, such as sitting and standing maneuvers. In turn, by establishing the adequate stiffness to the joint, consumption is reduced in changes of direction of the joint and energy can be stored and released in certain gait phases. The locomotion control strategies proposed have been validated through their implementation in the ATLAS active orthotic prototype. In this experiment, the importance of the variation of stiffness in relation to an efficient gait is reflected. This hybrid strategy achieves a reduction in energy consumption of 40%, while maintaining the robustness and reliability of the active orthosis with stiff actuators. The results of the research work have led to 8 publications in indexed scientific journals and 14 articles in international congresses, several of which have been prizes for their scientific and technical excellence. The doctoral thesis has had a relevant impact in the area of rehabilitation robotics since its results are being used in real environments, since pediatric gait exoskeletons, transferred to the technology-based company, are being used in two hospitals in the therapy of neuromuscular diseases in childhood