Advanced control systems for upper-limb rehabilitation exoskeletons

• Autores: David Pont Esteban
• Directores de la Tesis: Manuel Ferre Pérez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Eduardo Rocón de Lima (presid.), Francisco Javier Badesa Clemente (secret.), Miguel Ángel Otaduy Tristan (voc.), Luis Enrique Montano Gella (voc.), Domenico Prattichizzo (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Automática y Robótica por la Universidad Politécnica de Madrid
• Menciones:
  • Internacional
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de los ordenadores
      • Sistemas en tiempo real
    • Ingeniería y tecnología eléctricas
      • Motores eléctricos
    • Tecnología de la instrumentación
      • Ingeniería de control
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen

  • Esta tesis se centra en el diseño de sistemas de control de exoesqueletos para la rehabilitación de extremidades superiores, lo cual engloba el diseño de controladores y de sistemas electrónicos y software. En primer lugar, se presenta el sistema electrónico diseñado, junto con el software de tiempo real. La plataforma diseñada constituye una base robusta, eficiente y modular para la implementación de arquitecturas de control enfocadas a distintos tipos de rehabilitación. Para la rehabilitación pasiva de las extremidades superiores, en la que el sujeto deja su extremidad inerte y ésta es movilizada acorde a una serie de trayectorias predefinidas, se proponen dos enfoques de control distintos. Por un lado, se ha diseñado un nuevo controlador robusto a las incertidumbres en el modelo, la variabilidad entre usuarios y las perturbaciones externas. Se basa en un control en cascada PI-SMC y un observador no-lineal de perturbaciones (NDO). Por otro lado, se propone un modelo geométrico para la estimación de la orientación del hombro que permite eliminar la necesidad de colocar sensores de movimiento en el cuerpo del usuario. La rehabilitación activa, en la cual la interacción entre robot y usuario se incluye en el bucle de control, es tratada a través del diseño de controladores de fuerza, de impedancia y de compensación del par gravitatorio para distintos exoesqueletos aplicados a tareas de rehabilitación de codo y hombro. Los controladores diseñados se han comparado con otras estrategias presentadas en el estado del arte a través de distintas métricas de control. Adicionalmente, se muestran los resultados obtenidos en experimentos con pacientes, lo cual permite validar la tecnología propuesta. A lo largo del documento, se plantean debates sobre los aspectos más relevantes a considerar en el desarrollo de sistemas de control para exoesqueletos, como la aplicación objetivo y el sistema de actuación disponible. Por último, se presenta un método software basado en un predictor para la limitación de corriente de motores DC. Este algoritmo protege a los usuarios y los motores frente a aplicaciones externas excesivas de par durante la interacción entre humano y robot en aplicaciones con exoesqueletos.