Design, development and force control implementation for a wearable exoskeleton with high power-to-weight ratio

Abstract

Physical rehabilitation has a crucial role in the recovery and preservation of physical function, mobility, and overall health after an injury or disability. Exoskeletons can serve as useful tools in physical rehabilitation by providing a safe and controlled environment for patients to perform functional movements. This thesis proposes a design methodology and validation processes for a lower body exoskeleton with active hip, knee, and ankle joints. Four different designs were presented and qualitatively compared their joint range, torque controllability, weight, and wearability. Using a human-robot coupled simulation model, actuator torques and loading on mechanical links were obtained. The final design was evaluated in the MSC Adams environment concerning two different dynamic motions. Subsequently, the exoskeleton was manufactured and assembled after the final design was verified. To verify the locomotion methods, a robot model constrained in the sagittal plane was created using the RaiSim simulator. The dynamic model of the exoskeleton was calculated using the Lagrangian method, and CTC was also applied. Various controller methods were implemented to validate the exoskeleton and the SEAs, and their position-tracking performances were compared. Furthermore, the torque controllability of the actuator was verified.Fiziksel rehabilitasyon, bir yaralanma veya sakatlıktan sonra fiziksel fonksiyonların, hareketliliğin ve genel sağlığın iyileştirilmesi ve korunmasında önemli bir rol oynamaktadır. Dıs iskeletler, hastaların fonksiyonel hareketlerini gerçekleştirmeleri için güvenli ve kontrol edilebilir bir ortam sağlayarak fiziksel rehabilitasyonda yararlı bir araç olarak kullanılabilirler. Bu tez, aktif kalça, diz ve ayak bileği eklemleri olan bir alt gövde dış iskeleti için tasarım metodolojisi ve doğrulama süreçleri önermektedir. Dört farklı tasarım sunulmuş ve eklem hareket aralığı, tork kontrol edilebilirliği, ağırlık ve giyilebilirlik açısından nitel olarak karşılaştırılmıştır. İnsan-robot eşleştirilmiş simülasyon modeli kullanılarak eyleyici torkları ve mekanik bağlantılara binen yükler elde edilmiştir. Son tasarım, iki farklı dinamik hareket açısından MSC Adams ortamında değerlendirilmiştir. Tasarım doğrulandıktan sonra, dış iskelet üretilmiş ve montajı gerçekleştirilmiştir. Lokomasyon yöntemlerini doğrulamak için, RaiSim ortamında sagittal düzlemde kısıtlanmış bir robot modeli oluşturulmuştur. Dış iskeletin dinamik modeli Lagrange yöntemi kullanılarak hesaplanmış ve CTC'de uygulanmıştır. Çeşitli kontrolcü yöntemleri, dış iskelet ve SEA'ların pozisyon takibi performanslarını doğrulamak için uygulanmış ve karşılaştırılmıştır. Ayrıca, eyleyicilerin tork kontrol edilebilirliği doğrulanmıştır.