Control motion approach of a lower limb orthosis to reduce energy consumption

By analysing the dynamic principles of the human gait, an economic gait‐control analysis is performed, and passive elements are included to increase the energy efficiency in the motion control of active orthoses. Traditional orthoses use position patterns from the clinical gait analyses (CGAs) of healthy people, which are then de‐normalized and adjusted to each user. These orthoses maintain a very rigid gait, and their energy cosT is very high, reducing the autonomy of the user. First, to take advantage of the inherent dynamics of the legs, a state machine pattern with different gains in eachstate is applied to reduce the actuator energy consumption. Next, different passive elements, such as springs and brakes in the joints, are analysed to further reduce energy consumption. After an off‐line parameter optimization and a heuristic improvement with genetic algorithms, a reduction in energy consumption of 16.8% is obtained by applying a state machine control pattern, and a reduction of 18.9% is obtained by using passive elements. Finally, by combining both strategies, a more natural gait is obtained, and energy consumption is reduced by 24.6%compared with a pure CGA pattern.

An Adjustable Compliant Joint for Lower-Limb Exoskeletons

The field of exoskeletons and wearable devices for walking assistance and rehabilitation has advanced considerably over the past few years. Currently, commercial devices contain joints with stiff actuators that cannot adapt to unpredictable environments. These actuators consume more energy and may not be appropriate for human-machine interactions. Thus, adjustable compliant actuators are being cautiously incorporated into new exoskeletons and active orthoses. Some simulation-based studies have evaluated the benefits of incorporating compliant joints into such devices. Another reason that compliant actuators are desirable is that spasticity and spasmodic movements are common among patients with motor deficiencies; compliant actuators could efficiently absorb these perturbations and improve joint control. In this paper, we provide an overview of the requirements that must be fulfilled by these actuators while evaluating the behavior of leg joints in the locomotion cycle. A brief review of existing compliant actuators is conducted, and our proposed variable stiffness actuator prototype is presented and evaluated. The actuator prototype is implemented in an exoskeleton knee joint operated by a state machine that exploits the dynamics of the leg, resulting in a reduction in actuation energy demand and better adaptability to disturbances.

Influencia de la información termográfica infrarroja en el protocolo de prevención de lesiones de un equipo de fútbol profesional español

El fútbol es un deporte en cuya práctica existe una alta incidencia de lesión. Además, en el ámbito profesional las lesiones suponen un duro proceso de recuperación para el futbolista, una reducción del rendimiento deportivo para éste y para el equipo, y unos grandes costes económicos para el club. Dentro de esta problemática, la bibliografía consultada concluye que en las pretemporadas se produce una mayor incidencia de lesión por sobrecarga, es decir, sin contacto; un tipo de lesiones que está a nuestro alcance poder prevenir. Por ello, consideramos importante el conocer y desarrollar métodos, herramientas y principios para obtener programas preventivos efectivos, que reduzcan las elevadas cifras de incidencia de lesión mostradas por la literatura. El presente estudio observa y registra las lesiones, a través del cuestionario F-MARC, de un equipo profesional de fútbol de la Liga Española durante las pretemporadas 2008 (n=24) y 2009 (n=24). Además, durante la pretemporada 2009 se aplicó la termografía infrarroja para adquirir información sobre la asimilación de la carga de entrenamiento por parte de los jugadores, y dicha información se utilizarón para mejorar las tomas de decisiones de protocolos post-ejercicio específicos en prevención de lesiones, los cuales fueron los mismos que se utilizaron previamente en la pretemporada 2008. El estudio tiene un diseño con características pre-post sin grupo de control. Es un estudio longitudinal donde, tras un registro inicial de lesiones en la pretemporada 2008, los sujetos fueron expuestos a la variable independiente, utilización de la termografía infrarroja, en el protocolo de prevención de lesiones durante la pretemporada 2009. Los resultados de este trabajo muestran una reducción significativa de hasta el 60% en la frecuencia de lesión durante la pretemporada 2009, y un descenso de la incidencia de lesión total que pasa de 8,3 lesiones por cada 1000 horas de exposición en 2008 a 3,4 en 2009. Con ello, la probabilidad de lesión se redujo considerablemente pasando de un 85% de los jugadores lesionados en 2008 a un 26% en 2009; además, las lesiones de carácter muscular descendieron en 2009 un 70% con respecto al 2008, y los días de baja que causaron todas las lesiones pasó a reducirse un 91,8% en la pretemporada 2009. Por otro lado, el perfil térmico de los jugadores en función de su lateralidad y dominancia, guarda una gran similitud en sus temperaturas, tanto medias como máximas, con temperaturas más elevadas en la zona corporal lumbar y poplítea, y con temperaturas más bajas en tobillos y rodillas. Todas las zonas corporales estudiadas, exceptuando el tobillo (p<0,05), no presentan diferencias significativas entre ambos hemicuerpos, estableciendo un promedio de diferencia entre ambos lados de 0,06±0,16 ºC. Teniendo en cuenta estos resultados, consideramos el límite superior de normalidad de asimetría térmica bilateral en 0,3ºC para todas las zonas corporales estudiadas del miembro inferior exceptuando los tobillos. El parámetro ambiental que más relación tiene con la temperatura registrada por la cámara termográfica es la temperatura de la sala con un coeficiente de correlación cercano a r=1,00, seguido de la presión atmosférica con un coeficiente de correlación cercano r=0,50, y, por último, la humedad que no guarda ningún tipo de relación con la temperatura registrada en cada zona corporal en el rango de valores considerados en el estudio. Por otro lado, los resultados del ANOVA de un factor nos indican que existen diferencias de medias entre los tres grupos formados de temperatura ambiente de sala (1º=18º-21ºC, 2º=22º-24ºC y 3º=25º-31ºC). Además, los resultados de la prueba HSD de Tukey nos indican que existen diferencias entre cada uno de los grupos en todas las zonas corporales estudiadas exceptuando los tobillos. Por último, se propone la ecuación; TC-estándar = TC-real – [0,184 * (TS – 21ºC)] para predecir la influencia de la temperatura ambiente sobre la temperatura registrada por la cámara termográfica. Para concluir, tras los resultados obtenidos, podemos afirmar que la aplicación de un protocolo post-ejercicio de prevención de lesiones basado en la información adquirida a través de valoraciones con termografía infrarroja reduce la incidencia de lesión en el grupo de futbolistas profesionales estudiado. Tenemos que ser conscientes que nos encontramos ante un estudio de campo, donde existen muchos factores que han podido influenciar en los resultados y que son difíciles de controlar. Por lo tanto, debemos ser cautos y concluir que la información adquirida de las evaluaciones termográficas ha sido uno de los aspectos que ayudó a la reducción significativa de la incidencia de lesión en la pretemporada 2009 en el equipo de fútbol profesional español de este estudio, pero que seguramente hayan podido existir otros factores que también hayan favorecido este hecho. ABSTRACT Soccer is a sport with a high incidence of injury. Moreover, in professional soccer injuries lead to a tough recovery process for the players, a reduction athletic performance for them and for their teams, and large economic costs for the club. In this issue, the literature concludes that in the preseason a greater incidence of overuse injury occurs (ie, without contact), and this is a type of injury that we can prevent. Therefore, we consider that it is important to know and develop methods, tools and principles to obtain effective preventive programs that reduce the high injury incidence figures shown in the literature. This study observed and recorded injuries, through the questionnaire F-MARC, from a professional soccer team in the Spanish league during the preseason 2008 (n = 24) and 2009 (n = 24). Moreover, during the 2009 preseason infrared thermography was applied to acquire information about the assimilation of the training load by the players, and this information was used to improve the decision making in the specific post-exercise injury prevention protocols, which were the same used in the previous season 2008. The study had a pre-post design without control group. Is a longitudinal study where, after an initial registration of injuries in the 2008 preseason, subjects were exposed to the independent variable, using infrared thermography, included in the protocol for injury prevention during the 2009 preseason. The results of this study show a significant reduction of up to 60% in the frequency of injury during the 2009 preseason, and a decrease in total injury incidence passing from 8.3 injuries per 1000 hours of exposure in 2008 to 3.4 in 2008. With this, the likelihood of injury decreased significantly from 85% of the players injuried in 2008 to 26% in 2009, also muscle injuries in 2009 fell 70% compared to 2008, and sick leave days that caused by all the injuries happened were reduced a 91.8% in the 2009 preseason. On the other hand, the thermal profile of the players according to their laterality and dominance, is quiet similar in their temperatures, both average and maximum values, with an estimated average of the highest temperatures in the lower back and popliteal areas in the back areas, and lower temperatures in the ankles and knees. All body areas studied, except for the ankle (p <0.05), had no significant differences between both sides of the body, establishing an average difference between both sides of 0.06 ± 0.16 °C. Given these results, we consider the upper limit of normal bilateral thermal asymmetry 0.3 °C for all body areas studied in the lower limb except for ankles. The environmental parameter higher related with temperature recorded by the camera is the temperature of the room with a correlation coefficient close to r = 1.00, followed by atmospheric pressure with a correlation coefficient near r = 0.50, and finally, the humidity that, in the range of values considered in the study, it is not related with temperature in each body area. On the other hand, the results of one-way ANOVA indicate that there are differences between the three temperature of the room groups (1 ° = 18-21 °C, 2 º = 22-24 ºC and 3 º = 25-31 ºC). Moreover, the results of the Tukey HSD test indicate that there are differences between each of the groups for all body areas studied except the ankles. Finally, we propose the equation TC-standard = TC-real – [0,184 * (TS – 21ºC)] to predict the influence of temperature on the temperature recorded by the thermographic camera. In conclusion, we can say from our results that the implementation of a post-exercise injury prevention protocol based on information from assessments with infrared thermography reduces the incidence of injury in professional soccer players. We must be aware that we are facing a field study, where there are many factors that could influence the results and they are difficult to control. Therefore, we must be cautious and conclude that the information acquired from the thermographic evaluation has been one of the aspects that helped to significantly reduce the incidence of injury in the preseason 2009 in the Spanish professional football team, but probably they could exist other factors with a positive effect on the reduction of the injury rates.

Análisis de la marcha: evaluación de un exoesqueleto aplicado a la marcha asistida

La marcha humana es el mecanismo de locomoción por el cual el cuerpo humano se traslada en línea recta gracias a una serie de movimientos coordinados de la pelvis y de las articulaciones del miembro inferior. Frecuentemente se encuentra influenciada por factores biomecánicos, anatómicos o patologías del sistema neuromusculoesquelético que modifican la forma de caminar de cada individuo. La lesión de médula espinal es una de las patologías que afectan el desarrollo normal de los patrones de la marcha por alteración de la movilidad, de la sensibilidad o del sistema nervioso autónomo. Aunque la lesión medular afecta otras funciones, además de la pérdida de función motora y sensorial, la recuperación de la capacidad de caminar es la mayor prioridad identificada por los pacientes durante la rehabilitación. Por ello, el desarrollo de dispositivos que faciliten la rehabilitación o compensación de la marcha es uno de los principales objetivos de diferentes grupos de investigación y empresas. En el contexto del proyecto Hybrid Technological Platform for Rehabilitation, Functional Compensation and Training of Gait in Spinal Cord Injury Patients se ha desarrollado un dispositivo que combina una órtesis activa (exoesqueleto) y un andador motorizado. Este sistema, como otros dispositivos, tiene el movimiento humano como estándar de referencia, no obstante no se evalúa de manera habitual, cómo es el patrón de la marcha reproducido y su similitud o diferencias con la marcha humana, o las modificaciones o adaptaciones en la interacción con el cuerpo del paciente. El presente estudio trata de examinar las características de la marcha normal en diversos grupos de población, y las diferencias con el patrón de marcha lenta. Finalmente, se pretende evaluar qué modificaciones y adaptaciones sufre el patrón de marcha lenta teórico al ser reproducido por el exoesqueleto. La presente investigación consiste en un estudio cuantitativo transversal desarrollado en dos etapas: estudio 1 y estudio 2. En el estudio 1 se analizó el patrón de la marcha a velocidad libremente seleccionada (normal) y el patrón de la marcha a velocidad lenta (0.25m/s) en 62 sujetos distribuidos en grupos considerando el sexo y los percentiles 25, 50 y 75 de estatura de la población española. Durante el estudio 2 se analizó el patrón de la marcha lenta reproducido por el dispositivo Hybrid a diferentes porcentajes de peso corporal (30%, 50% y 70%) en diez sujetos seleccionados aleatoriamente de la muestra del estudio 1. En ambos estudios se obtuvieron variables espacio-temporales y cinemáticas mediante un sistema de captura de movimiento con 6 cámaras distribuidas a lo largo de un pasillo de marcha. Se calcularon las medias, las desviaciones estándar y el 95% de intervalo de confianza, y el nivel alfa de significación se estableció en α=0.05 para todas las pruebas estadísticas. Las principales diferencias en el patrón normal de la marcha se encontraron en los parámetros cinemáticos de hombres y mujeres, aunque también se presentaron diferencias entre los grupos en función de la estatura. Las mujeres mostraron mayor flexión de cadera y rodilla, y mayor extensión de tobillo que los hombres durante el ciclo normal, aunque la basculación lateral de la pelvis, mayor en las mujeres, y el desplazamiento lateral del centro de gravedad, mayor en los hombres, fueron los parámetros identificados como principales discriminantes entre sexos. La disminución de la velocidad de la marcha mostró similares adaptaciones y modificaciones en hombres y en mujeres, presentándose un aumento de la fase de apoyo y una disminución de la fase de oscilación, un retraso de los máximos y mínimos de flexoextensión de cadera, rodilla y tobillo, y una disminución del rango articular en las tres articulaciones. Asimismo, la basculación lateral de la pelvis y el movimiento vertical del centro de gravedad disminuyeron, mientras que el movimiento lateral del centro de gravedad y el ancho de paso aumentaron. Durante la evaluación del patrón de la marcha reproducido por el exoesqueleto se observó que las tres articulaciones del miembro inferior disminuían el rango de movimiento por la falta de fuerza de los motores para contrarrestar el peso corporal, incluso con un 70% de descarga de peso. Además, la transferencia de peso se encontró limitada por la falta de movimiento de la pelvis en el plano frontal y se sustituyó por un aumento de la inclinación del tronco y, por tanto, del movimiento lateral del centro de gravedad. Este hecho, junto al aumento del desplazamiento vertical del centro de gravedad, hizo del patrón de la marcha reproducido por el exoesqueleto un movimiento poco eficiente. En conclusión, se establecen patrones de marcha normal diferenciados por sexos, siendo la basculación lateral de la pelvis y el movimiento lateral del centro de gravedad los parámetros discriminantes más característicos entre sexos. Comparando la marcha a velocidad libremente seleccionada y la velocidad lenta, se concluye que ambos sexos utilizan estrategias similares para adaptar el patrón de la marcha a una velocidad lenta y se mantienen las características diferenciadoras entre hombres y mujeres. En relación a la evaluación del dispositivo Hybrid, se deduce que la falta de movimiento lateral de la pelvis condiciona la transferencia de peso y el aumento del rango de movimiento del centro de gravedad y, en consecuencia, tiene como resultado un patrón de la marcha poco eficiente. Este patrón no resultaría indicado para los procesos de rehabilitación o recuperación de la marcha, aunque podría considerarse adecuado para la compensación funcional de la bipedestación y la locomoción. ABSTRACT The human walking is a means of moving body forward using a repetitious and coordinated sequence of pelvis and lower limb motions. It is frequently influenced by biomechanical and anatomical factors or by musculoskeletal pathologies which modify the way of walking. The spinal injury is one of those pathologies which affect the normal pattern of walking, due to the alteration of the mobility, the sensory or the autonomic nervous system. Although the spinal injury affects many other body functions, apart from the motor and sensory ones, the main priority for patients is to recover the ability of walking. Consequently, the main objective of many research groups and private companies is the development of rehabilitation and compensation devices for walking. In this context, the Hybrid Technological Platform for Rehabilitation, Functional Compensation and Training of Gait in Spinal Cord Injury Patients project has developed a device which integrates an exoskeleton and a motorized smart walker. This system, as other similar devices, has the human movement as standard reference. Nevertheless, these devices are not usually evaluated on the way they reproduce the normal human pattern or on the modifications and in the interactions with the patient’s body. The aim of the present study is to examine the normal walking characteristics, to analyze the differences between self-selected and low speed walking patterns, and to evaluate the modifications and adaptations of walking pattern when it is reproduced by the exoskeleton. The present research is a quantitative cross-sectional study carried out in two phases: study 1 and study 2. During the study 1, the self-selected and the low speed (0.25m/s) walking patterns were analyzed in sixty-two people distributed in groups, according to sex and 25th, 50th and 75th percentiles of height for Spanish population. The study 2 analyzed the low speed walking pattern reproduced by the Hybrid system in three conditions: 30%, 50% and 70% of body weight support. To do this, ten subjects were randomly selected and analyzed from the people of study 1. An optoelectronic system with six cameras was used to obtain spatial, temporal and kinematic parameters in both studies. Means, standard deviations and 95% confidence intervals of the study were calculated. The alpha level of significance was set at α=0.05 for all statistical tests. The main differences in normal gait pattern were found in kinematic parameters between men and women. The hip and the knee were more flexed and the ankle plantar flexion was higher in women than in men during normal gait cycle. Although the greater pelvic obliquity of women and the higher lateral movement of center of gravity of men were the most relevant discriminators between male and female gait patterns. Comparing self-selected and low speed walking patterns, both sexes showed similar adaptations and modifications. At low speed walking, men and women increased the stance phase ratio and decreased the swing phase ratio. The maximum and minimum peak flexion of hip, knee and ankle appeared after and the range of motion of them decreased during low speed walking. Furthermore, the pelvic obliquity and the vertical movement of the center of gravity decreased, whereas the lateral movement of center of gravity and step width increased. Evaluating the gait pattern reproduced by the exoskeleton, a decrease of lower limb range of motion was observed. This was probably due to the lack of strength of the engines, which were not able to control the body weight, even with the 70% supported. Moreover, the weight transfer from one limb to the contralateral side was restricted due to the lack of pelvis obliquity. This movement deficiency was replaced by the lateral torso sway and, consequently, the increase of lateral movement of the center of gravity. This fact, as well as the increase of the vertical displacement of the center of gravity, made inefficient the gait pattern reproduced by the exoskeleton. In conclusion, different gait patterns of both sexes have been determined, being pelvis obliquity and lateral movement of center of gravity the most relevant discriminators between male and female gait patterns. Comparing self-selected and low speed walking patterns, it was concluded that both sexes use similar strategies for adapting the gait pattern to a low speed, and therefore, the differentiating characteristics of normal gait are maintained. Regarding the Hybrid system evaluation, it was determined that the gait pattern reproduced by the exoskeleton is inefficient. This was due to the lack of pelvis obliquity and the increase of the center of gravity displacement. Consequently, whereas the walking pattern reproduced by the exoskeleton would not be appropriated for the rehabilitation process, it could be considered suitable for functional compensation of walking and standing.