DESIGN AND DEVELOPMENT OF A PLANAR CABLE-DRIVEN VSA BASED ROBOT FOR UPPER-LIMB REHABILITATION
Abstract
Stroke is one of the worldwide major causes of disability, and the brain injury can end upin paralyzation of muscles and their involuntary contraction. Post-stroke rehabilitationconsists of a restorative learning process that, through sessions of task-specific exercises,allows the patient to recover the physical capacity of the limb. Robotic devices are highlysuitable for this purpose, as they are capable of introducing high-intensity sessions, withinteractive interfaces for the patient and the possibility of reducing the physical workloadof the therapist. By now, rehabilitation robots are bulky and expensive, restricting theiruse to clinical environments.The purpose of this dissertation is to conceive, design and assemble the mechanicalcomponents of a mechatronic device for upper limb rehabilitation, with the aim of beinglow-cost and easily transportable, in order to allow its use at patient’s home. The deviceis also aimed to be end-effector based, have a planar workspace and include variablestiffness actuators.In order to to achieve the specifics, an orthogonally-arranged kinematic architectureis conceived, consisting on two antagonistic variable stiffness actuators positioned orthogonallyto each other, which exploit a novel cam-based series elastic actuator thatintroduces the necessary non-linear stiffness. This system was conceived to independentlycontrol position and stiffness on two orthogonal directions. Contrary to theexpectations, a kinetostatic analysis shows a coupling effect between the stiffness in thetwo directions.The entire mechanical design of the device is done afterwards, which includes thedefinition of the requirements and the detailed dimensioning of every component. Themanufacturing operations and assembly phases are described and actually realized, resultingin a prototype of the robot. The overall cost of the mechanism is about e2400.00,which represents a very low cost considering the upper-limb rehabilitation robots in circulationtoday. Although, this cost does not consider mechanized parts, the controlhardware and software, neither man-hours employed for the development of the prototype.A few static tests were conducted on the prototype to observe the force vs displacementbehavior that have highlighted a qualitative coherence with the model, but showeda discrepancy in terms of numerical values, which is to be studied and solved in orderto properly implement a control strategy. Los accidentes cerebrovascular son una de las principales causas de discapacidad en elmundo, y los daños al cerebro pueden resultar en parálisis y contracción involuntaria delos músculos. La rehabilitación se desarrolla a través de un proceso de recuperación dela movilidad del miembro afectado, con sesiones de ejercicios que simulan los movimientoscotidianos. Los robots son particularmente adecuados para este fin, ya que soncapaces de realizar sesiones intensivas, introducir elementos interactivos y reducir lacarga física para el terapeuta. Los dispositivos de rehabilitación actualmente en comercioson grandes, pesados y costosos, lo cual los hace exclusivos para centros dedicadosa la rehabilitación.El objetivo de esta memoria es concebir, diseñar y realizar la parte mecánica de undispositivo mecatrónico para la rehabilitación del miembro superior, con el objetivo deser un dispositivo de bajo costo y fácilmente transportable para que su uso sea aplicabletambién en el ambiente doméstico. El dispositivo es también concebido para ser del tipoend-effector, con un área de trabajo plana donde es prevista la utilización de actuadorescon rigidez variable.Para satisfacer las especificaciones, se desarrolla una arquitectura cinemática ortogonal,compuesta de dos actuadores a rigidez variable dispuestos perpendicularmente, queutilizan un innovador sistema leva-resorte para implementar la rigidez no linear. Estesistema permite controlar independientemente posición y rigidez en dos direcciones.Contrario a lo previsto, a través de un análisis cineto-estático, se ha encontrado unadependencia entre la rigidez de las dos direcciones ortogonales.Se realiza el completo diseño mecánico del dispositivo, que incluye la definición de losrequerimientos, y el diseño en detalle de cada componente. La etapas de manufacturay ensamble son descritas y realizadas, resultando en el primer prototipo mecánico delrobot. El costo total del mecanismo se encuentra en torno a los e2400, muy por debajoal precio de robots de rehabilitación que se encuentra en circulación actualmente. Sinembargo, este costo no considera las partes mecanizadas, hardware y software parael sistema de control, ni las horas-hombre utilizadas en el diseño y construcción delprototipo.Se realizan finalmente pruebas estáticas para analizar la curva de la fuerza en funcióndel desplazamiento. Las pruebas evidencian un comportamiento cualitativo coherentecon las predicciones, sin embargo, muestran también una discrepancia numérica, por loque para implementar un sistema de control, es necesario el estudio y definición de lacurva fuerza-desplazamiento experimental del robot.