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000999822 1001_ $$0P:(DE-82)IDM04783$$aBergmann, Lukas Manuel$$b0$$urwth
000999822 245__ $$aTowards enhanced rehabilitation: modeling and control of lower limb exoskeletons for human-robot cooperation and fatigue management$$cvorgelegt von Lukas Manuel Bergmann, M. Sc.$$honline
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000999822 3367_ $$0PUB:(DE-HGF)11$$2PUB:(DE-HGF)$$aDissertation / PhD Thesis$$bphd$$mphd
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000999822 502__ $$aDissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024$$bDissertation$$cRheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen$$d2024$$gFak06$$o2024-10-31
000999822 500__ $$aVeröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025
000999822 5203_ $$aDas Wunder des menschlichen Ganges ist eine komplexe Kombination ausgefeilter Regelungsstrategien, die jedoch durch Verletzungen und Krankheiten wie Schlaganfälle gestört werden kann. Die Prävalenz der daraus resultierenden Bewegungsstörungen ist nach wie vor ein akutes globales Gesundheitsproblem, das Millionen von Menschen betrifft. Eine frühzeitige und intensive Rehabilitation ist für die Genesung entscheidend. Herkömmliche Rehabilitationsmethoden erfordern erhebliche finanzielle und personelle Ressourcen, was zu einem verstärkten Interesse an Rehabilitationsrobotik führt. Darüber hinaus wird der Bedarf an häuslicher Pflege aufgrund der demografischen Alterung zunehmen, was den Bedarf an Rehabilitationsrobotern erhöht und letztlich eine größere Autonomie des Individuums fördert. Für optimale Rehabilitationsergebnisse ist es wichtig, dass die Patienten und Patientinnen selbst aktiv Bewegungen initiieren, da diese Art des motorischen Lernens entscheidend für die Stimulation der Neuroplastizität ist. Exoskelette, die patienteninitiierte Bewegungen priorisieren und sich in Echtzeit an die Absichten des Benutzers oder der Benutzerin anpassen, könnten in klinischen und alltäglichen Situationen von Nutzen sein. Die Realisierung erfordert eine präzise Erfassung der Bewegungsintention und den Einsatz fortschrittlicher Regelungsstrategien, um die Bewegung der Patientin oder des Patienten zu unterstützen und gleichzeitig die Sicherheit durch Hardware- und Softwarelösungen zu gewährleisten. Das Ziel dieser Dissertation ist es, Design- und Regelungsmethoden für Exoskelette der unteren Gliedmaßen zu untersuchen, um die robotergestützte Rehabilitation zu verbessern. Der untersuchte Ansatz sieht den Benutzer als zentralen Regler vor und unterstreicht die Rolle des Roboters, der auf menschliche Bewegungen reagiert, anstatt sie zu diktieren. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit das Potenzial von Exoskeletten als Diagnose- und Interventionsinstrument für Muskelermüdung untersucht - ein weit verbreitetes und beeinträchtigendes Symptom bei Personen mit Gangstörungen. Die erste Aufgabe dieser Arbeit beschreibt das Hardwaredesign eines neuen aktiven Exoskeletts für die unteren Gliedmaßen, das auf Aktuatoren mit variabler Steifigkeit zur Unterstützung von Hüfte und Knie basiert, um eine sichere Kopplung zwischen Mensch und Exoskelett zu gewährleisten. Durch die Schätzung des Gelenkdrehmoments des Benutzers oder der Benutzerin in Echtzeit mittels eines gekoppelten Mensch-Exoskelett-Modells für die Schwung- und Standphase wird ein neuartiger menschenkooperativer Regler entwickelt, um die Bewegung der Benutzerin oder des Benutzers zu unterstützen. Die Regelungsstrategie wird an dem neu entwickelten Exoskelett validiert. Zusätzlich wird ein Regelungskonzept für die variable serielle Elastizität vorgestellt, um die vorteilhafte hohe Bandbreite eines steifen Aktuators mit dem Sicherheitsvorteil eines nachgiebigen Aktuators in Reaktion auf die Patientenbewegung zu kombinieren. Um das Potenzial des Exoskeletts als Diagnoseinstrument für Muskelermüdung zu untersuchen, wird ein Ermüdungsmodell formuliert und anhand einer Studie mit gesunden Teilnehmern parametrisiert. Abschließend wird untersucht, ob die Unterstützung durch das Exoskelett in Abhängigkeit vom Ermüdungsgrad moduliert werden kann.$$lger
000999822 520__ $$aThe marvel of human walking is a complex combination of intricate control strategies, but it can be disrupted by injuries and illnesses such as strokes. The prevalence of the resulting gait disorders remains an acute global health challenge affecting millions of people. Early and intensive rehabilitation is crucial for recovery. Traditional rehabilitation methods require significant financial and human resources, leading to an increased interest in rehabilitation robotics. In addition, aging demographics will increase the need for home-based care, increasing the need for rehabilitation robotics and ultimately promoting greater autonomy for individuals. For optimal rehabilitation outcomes, it is important that patients actively initiate movements themselves, as this kind of motor learning is crucial for stimulating neuroplasticity. Exoskeletons that prioritize patient-initiated actions and adapt in real-time to user intent could benefit clinical and everyday settings. The realization requires precise sensing of movement intention and utilizing advanced control strategies to support the patient's movement while prioritizing safety through hardware and software solutions. The goal of this dissertation is to explore design and control methods of lower limb exoskeletons to enhance robot-assisted rehabilitation. The investigated approach designates the user as the central controller, underscoring the robot's role in responding to, rather than dictating, human movements. Additionally, this thesis examines the potential of exoskeletons as both a diagnostic and intervention tool for muscle fatigue - a prevalent and debilitating symptom among individuals with gait disorders. The first task of this thesis describes the hardware design of a new active lower-limb exoskeleton based on variable stiffness actuators for hip and knee assistance to ensure a safe human-exoskeleton coupling. By estimating the user's joint torque in real-time through a coupled human-exoskeleton model for both swing and stance phases, a novel human-cooperative controller is developed to augment user movement. The control strategy is validated on the newly designed exoskeleton. Additionally, a control concept for the varying serial elasticity is proposed to combine the advantageous high bandwidth of a stiff actuator with the patient safety advantage of a compliant actuator in response to patient motion. For examination of the exoskeleton’s potential to function as a diagnostic tool for muscle fatigue, a fatigue model is formulated and parameterized based on a study involving healthy participants. Lastly, the feasibility of modulating the exoskeleton's assistance according to the fatigue level is investigated.$$leng
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