Development of control stategies for a variable stiffness ankle exoskeleton for gait rehabilitation

Currently, designing robotic devices to assist and rehabilitate the ankle is challenging due to the joint's complexity and its fundamental role in walking. This research field has been motivated by the disability's high incidence of neurological disorders and their effects in Activities of Daily Living's (ADL) execution that reduces people's life quality. This way, powered ankle-foot orthoses (PAFOs) or ankle exoskeletons are being developed to counteract the gait limitation and to improve motor recovery. In this context, this master's dissertation presents the design, development, and implementation of a novel wearable and portable ankle exoskeleton, called T-FLEX, based on Variable Stiffness Actuators (VSAs). Thus, different high-level control strategies were developed and implemented to support gait rehabilitation with T-FLEX. Likewise, an experimental characterization determined the T-FLEX's applicability in assistive scenarios and measured the device's capabilities during this task. Lastly, two experimental validations with people who exhibited ankle dysfunctions were carried out to assess the device's effectiveness during gait rehabilitation. In general terms, this dissertation determined that T-FLEX is capable of assisting gait patterns with gait cycle duration greater than 0.74 seconds. Moreover, this work assessed the T-FLEX's actuation system in a passive orthotic structure during a first-use trial and evaluated T-FLEX in a rehabilitation program with a chronic stroke patient. The gait assistance assessment showed improvements in foot clearance and lower limb's kinematics. However, the users exhibited reductions in Spatio-temporal parameters related mainly to the orthotic structure used in this study. For the validation in therapy mode, T-FLEX evidenced positive effects: (1) increasing cadence, (2) reducing the plantarflexion movement during swing phase, (3) decreasing the spasticity level and increasing the passive lower limb joints' range of motion (ROM) after 18 sessions. T-FLEX can assist human gait and support rehabilitation processes of neurological patients with ankle dysfunctions. Future works will address improvements in the device synchronization, the assessment in a larger sample population, the interactive feedback strategies' development, and the dynamic experimental characterization' execution.Actualmente, el diseño de dispositivos robóticos para asistir y rehabilitar el tobillo representa un desafío debido a la complejidad de esta articulación y su rol fundamental en la locomoción humana. Este campo de investigación ha sido motivado por la alta incidencia de discapacidad relacionada a trastornos neurológicos y sus efectos en la ejecución de Actividades de la Vida Diaria (AVD), reduciendo la calidad de vida de las personas. De esta manera, las órtesis de tobillo-pie actuadas, o exoesqueletos de tobillo, están siendo desarrollados para contrarrestar la limitación de marcha y mejorar la recuperación motora. En este contexto, esta tesis de maestría presenta el diseño, desarrollo e implementación de un novedoso exoesqueleto de tobillo vestible y portable, denominado T-FLEX, el cual está basado en Actuadores de Rigidez Variable (ARVs). Por tanto, diferentes estrategias de control de alto nivel fueron desarrolladas e implementadas para apoyar la rehabilitación de marcha con T-FLEX. Asimismo, una caracterización experimental determinó la aplicabilidad de T-FLEX en escenarios de asistencia y midió las capacidades del dispositivo durante esta tarea. Finalmente, dos validaciones experimentales con personas que exhibían disfunciones de tobillo fueron ejecutadas para evaluar la efectividad del dispositivo en rehabilitación de marcha. En términos generales, esta tesis determinó que T-FLEX es capaz de asistir patrones de marcha con una duración superior a 0.74 segundos. Además, este trabajo evaluó el sistema de actuación de T-FLEX en una estructura ortótica pasiva durante una prueba de primer uso y examinó T-FLEX en un programa de rehabilitación con un paciente crónico de accidente cerebrovascular. La evaluación de la asistencia a la marcha mostró mejoramientos en el levantamiento del pie y en la cinemática de los miembros inferiores. Sin embargo, los usuarios exhibieron reducciones en los parámetros espaciotemporales principalmente relacionados a la estructura ortótica utilizada en este estudio. Para la validación en terapia, T-FLEX evidenció efectos positivos después de 18 sesiones en (1) incremento de cadencia, (2) reducción del movimiento de plantar-flexión durante la fase de balanceo, (3) reducción del nivel de espasticidad, así como (4) el incremento de los rangos de movimiento pasivo en las articulaciones de los miembros inferiores. T-FLEX puede asistir la marcha humana y apoyar procesos de rehabilitación de pacientes neurológicos que presenten disfunciones en el tobillo. Los trabajos futuros estarán direccionados en el mejoramiento de la sincronización del dispositivo, evaluaciones en una mayor cantidad de pacientes, desarrollo de estrategias interactivas de realimentación y la ejecución de una caracterización experimental dinámica del sistema