Development of a wearable exoskeleton (exosuit) for lower limb assistance based on simulations

Abstract

In the upcoming years, there will be a significant increase in the world’s older adult population. This demographic shift, combined with rising cases of spinal cord injuries, stroke or cerebral palsy, will result in a greater number of individuals affected by walking-related conditions. Therefore, the development of assistive walking devices is essential to enhance the autonomy of people with reduced mobility. Generally, the design of customised devices for each pathology is complex and expensive. This means that the need to use tools that facilitate the selection of the number of actuators providing external assistance to reduce the manufacturing costs of these devices and simplifying their usability for patients are essential objectives. Under this premise, this doctoral thesis presents the framework to analyse and simulate gait using a cable-assisted exoskeleton (Exosuit) to support the gait of older adults. For customizing the device, a study of the main differences between the gait patterns of young adults and older adults is carried out. For the design of the exosuit, a study of the effect on the neuromuscular system is proposed through the simulation of cable-assisted gait. These simulations provide information on how muscle activations vary during assisted gait based on inverse dynamic analysis and dynamic optimization. The results obtained in this doctoral thesis have allowed for a preliminary design of a functional prototype of an exosuit for walking assistance within the context of the National and Regional Research Projects in which this thesis has been developed. The proposed methodologies have been used to design a wearable exoskeleton to assist in walking for the elderly.

En los próximos años se producirá un aumento significativo de la población mundial de adultos mayores. Este cambio demográfico, combinado con el aumento de casos de lesiones medulares, derrames cerebrales o parálisis cerebral, se traducirá en un mayor número de personas afectadas por dolencias relacionadas con la marcha. Por tanto, el desarrollo de dispositivos de asistencia a la marcha es esencial para mejorar la autonomía de las personas con movilidad reducida. Por lo general, el diseño de dispositivos personalizados para cada patología es complejo y costoso. Por ello, la necesidad de utilizar herramientas que faciliten la selección del número de actuadores que proporcionan asistencia externa para reducir los costes de fabricación de estos dispositivos y simplificar su usabilidad para los pacientes son objetivos esenciales. Bajo esta premisa, esta tesis doctoral presenta el marco para analizar y simular la marcha utilizando un exoesqueleto asistido por cable (Exosuit) para dar soporte a la marcha de personas mayores. Para la personalización del dispositivo, se realiza un estudio de las principales diferencias entre los patrones de marcha de los adultos jóvenes y los adultos mayores. Para el diseño del exosuit, se propone un estudio del efecto sobre el sistema neuromuscular mediante la simulación de la marcha asistida por cable. Estas simulaciones proporcionan información sobre cómo varían las activaciones musculares durante la marcha asistida a partir del análisis dinámico inverso y la optimización dinámica. Los resultados obtenidos en esta tesis doctoral han permitido el diseño preliminar de un prototipo funcional de exosuit para la asistencia a la marcha en el contexto de los Proyectos de Investigación Nacional y Regional en los que se ha desarrollado esta tesis. Las metodologías propuestas se han utilizado para diseñar un exoesqueleto wearable de asistencia a la marcha para personas mayores.