Theory, conception, and design towards a passive upper limb exoskeleton with gravity compensation

Abstract

Die Anatomie der menschlichen Extremitäten ist komplex. Besonders die obere Extremität verbindet ausgeklügelte Gelenke zu einem durchdachten Bewegungsmechanismus. Neurologische Krankheiten und Verletzungen der Wirbelsäule können zu reduzierter Muskelkraft beziehungsweise Lähmungen der Extremitäten führen. Unterstützung können in solchen Fällen Exoskelette (EXOs) bieten, die betroffenen Menschen die Möglichkeit geben, Aktivitäten des täglichen Lebens wieder selbstständig auszuführen. Es existieren verschieden Arten von EXOs um die obere Extremität zu unterstützen. Eine Möglichkeit ist die Kombination von einem passiven EXO mit der funktionellen Elektrostimulation (FES). Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines solchen passiven EXOs, das kombiniert mit FES oder reduzierter vorhandener Muskelkraft, die obere Extremität der PatientInnen manipuliert. Das EXO wurde entwickelt um PatientInnen die Möglichkeit zu geben direkt mit ihrer Umwelt zu interagieren und einfache Bewegungen des täglichen Lebens ausführen zu können. In der vorliegenden Arbeit wird der Entwicklungsprozess und die Selektion der Freiheitsgrade (FGs), mit entsprechender Zuordnung der Muskeln für FES, beschrieben; das EXO-Design vorgestellt und die Wirkung des Kompensationsmechanismus erklärt. Abschließend werden die Testergebnisse erläutert. Diese Arbeit wurde im Zuge des von der EU geförderten Projektes MUNDUS (Multimodal Neuroprosthesis for Daily Upper Limb Support, call no. 248326) durchgeführt. Im Zuge des Entwicklungsprozesses wurde eine Bewegungsanalyse-Studie, inklusive Elektromyogram (EMG)-Messungen, mit 15 ProbandInnen durchgeführt und vorab definierte Bewegungen kinematisch und kinetisch analysiert. In diesem Zusammenhang wurde der Bewegungsumfang des EXOs ermittelt, sowie die entsprechenden Momente und Winkelgeschwindigkeiten berechnet. Für die Datenverarbeitung der Bewegungsanalyse wurde eine Toolbox ausgearbeitet die ein anatomisches Model [1] in die Simulationsumgebung OpenSim [2] einbettet. Das Tragen eines EXOs kann zu einem eingeschränkten Bewegungsumfang führen. Mit Hilfe von inverser Kinematik wurden negative Einflüsse wie eine beschränkte Ellenbogenflexion (0° - 120° vs. 0° - 140°) und limitierte Schulterrotation (20° - 70°) untersucht. Im Weiteren wurde gezeigt, dass distale Einschränkungen zu kompensierenden Bewegungen an proximalen Gelenken führen. Während der Analyse der Freiheitsgrade und der entsprechenden Muskeln wurde die Vermutung bestätigt, dass FES nicht zur Aktivierung aller FGs angewendet werden kann. Somit wurde eine FG-Selektion vorgenommen und die potentiellen Einbußen hinsichtlich Verwendbarkeit und Positionierbarkeit der Hand analysiert. Hierfür wurden die entsprechenden Muskeln für die Stimulation herausgearbeitet und die Muskelaktivitätsmuster berechnet. Mit Hilfe der Static Optimization wurde die Wirkung der Gewichtskompensation abgeschätzt. Die vorab durchgeführten EMG Messungen konnten die berechneten Muskelaktivitäten der Static Optimization bestätigen. Mit Hilfe eines vereinfachten Modells v wurde die Umsetzung simuliert und die Funktionalität des EXOs in Kombination mit FES und selektierten Muskeln evaluiert. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte EXO ist auf verschiedene anthropometrische Größen einstellbar und definierte FGs wurden berücksichtigt. Der ermittelte Bewegungsumfang wurde umgesetzt, wobei der FG humeral rotation indiskret einstellbar integriert wurde. Der Bereich der Schulter elevation plane wurde mit 0° bis 110° definiert und der FG Schulter elevation mit 25° bis 75°. Der FG Ellenbogen flexion wurde mit 0° bis 140° festgelegt. Resultierende Momente, ausgelöst durch Massen und eine zusätzliche Kraft von 5 N an der Hand, wurden berechnet. Für die Schulter ergaben sich 12.57 Nm (elevation), 3.27 Nm (elevation plane) und 3.49 Nm (humeral rotation) und am Ellenbogen 4.15 Nm (elbow flexion). Das EXO wurde dahin gehend entwickelt um diese Kräfte aufnehmen zu können. Im Weiteren garantiert eine maßgefertigte Körperanbindung hohen Komfort und gute Kraftübertragung in den Rumpf. Das EXO enthält elektromagnetische Bremsen und ein einfaches Gewichtskompensationsprinzip. Die Gewichtskompensation unterstützt die obere Extremität der PatientInnen bei den Bewegungen und hebt den Einfluss der Schwerkraft auf. Passive Elemente wie Federn und ein sich selbst einstellender Momentenhebelsarm wurden implementiert um ein nicht lineares Kompensationsmoment aufzubringen. Die realisierte Gewichtskompensation wurde mit existierenden Systemen verglichen und diskutiert. Abschließend werden Studien mit und ohne EXO hinsichtlich des Bewegungsumfangs verglichen. Auch die positive Wirkung der Gewichtskompensation konnte mit Hilfe von EMG Messungen nachgewiesen werden und erfolgreiche Tests mit potentiellen PatientInnen werden angeführt.

Upper limb motion and anatomy are complex and sophisticated. Neurological diseases or spinal cord injuries can result in reduced muscle strength and mobile limitations in daily life. The capability to perform daily living activities can be restored using assistive devices or exoskeletons (EXOs). A variety of different EXOs exist. One specific type combines a passive EXO with functional electrical stimulation (FES) to form an assistive device for upper limb manipulation. Passive EXOs contain no motors. The aim of this dissertation was to develop such a passive EXO, actuated with FES or residual muscle activity, but without a motor. The EXO was designed to recover the direct interaction capabilities of severely motor-impaired people. In this work, the development process is described and performed selection of degrees of freedom (DoFs), including muscle assignment for FES, is explained. The EXO design which encompasses a simple weight compensation mechanism is given. Additionally, the results of usability testing are presented. This work was conducted within the EU founded project MUNDUS (Multimodal Neuroprosthesis for Daily Upper Limb Support, call no. 248326). A kinematic and kinetic analysis of the prior defined activities of daily living was performed. Therefore, a study with 15 volunteers was conducted, and motion analysis, including electromyogram (EMG) measurements taken. The elementary parameters, such as range of motion (ROM), torques, and segment angular velocities (AVs) were calculated. Within this work, a toolbox was developed for data post processing, embedding a scalable anatomical model [1] in the simulation environment OpenSim [2]. Wearing the EXO can lead to ROM limitations; hence, this impact was analyzed. Inverse kinematics was applied to investigate limited elbow joint ROM (0-120° vs. 0-140°) and different settings for humeral rotation (20-70°). Distal limitations provoked compensation movements at the proximal joints. FES is not applicable to all optional degrees of freedom (DoFs). Therefore, a selection of DoFs was investigated and the potential performance loss, in terms of accurate positioning, estimated. Furthermore, muscles were assigned to these DoFs and activity patterns given. The functionality of such a muscle selection to actuate specific DoFs was evaluated using a re-built model with selected muscles and static optimization. The beneficial use of a balancing mechanism was illustrated and EMG signals were taken to verify the calculated activation pattern. The developed EXO which is proposed in this work is adjustable to different anthropometric sizes and is light weight. An adaptable but locked humeral rotation was designed; the shoulder elevation plane was set from 0° to 110°; the shoulder elevation from 25° to 75°; and elbow flexion from 0° to 140°. Upper limb torques caused by gravity were calculated (inclusive of an additional load of 5 N at the hand). Calculations showed: 12.57 Nm for shoulder elevation; 3.27 Nm for shoulder elevation plane; 3.49 Nm for the humeral rotation; and 4.15 Nm for elbow flexion. The EXO was designed to cover these torques, and iii the custom tailored human-machine interface (i.e. cuffs and body harnesses) assured good alignment with the user and good force transmission. The incorporated DoFs cover the estimated ROM of all defined daily living tasks. The EXO is instrumented with electromagnetic brakes and a simple weight balancing mechanism. The weight compensating mechanism supports the user-s arm to counter the effects of gravity. Therefore, passive spring elements and a self-aligning moment arm were selected to store energy for the balancer and apply a nonlinear compensation torque. The presented balancing mechanism was compared with existing systems and discussed critically. This dissertation introduces the results of usability studies that were conducted. No limitation in ROM when actively manipulated was found. In a single case study, the efficacy of the weight balancing mechanism was verified. Recorded muscle activity has proved the feasibility of the compensation mechanism, and the exemplary characteristics are presented. A summary of a positive end user test is given.