REVIEW ARTICLE

Design of active orthoses for a robotic gait rehabilitation system

  • A. C. VILLA-PARRA , 1,2 ,
  • L. BROCHE 3 ,
  • D. DELISLE-RODRÍGUEZ 1,4 ,
  • R. SAGARÓ 3 ,
  • T. BASTOS 1 ,
  • A. FRIZERA-NETO 1
Expand
  • 1. Post-Graduate Program in Electrical Engineering, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória 29075-910, Brazil
  • 2. Grupo de Investigación en Ingeniería Biomédica GIIB, Universidad Politécnica Salesiana, Cuenca 010105, Ecuador
  • 3. Mechanical and Design Engineering Department, Universidad de Oriente, Santiago de Cuba 90500, Cuba
  • 4. Center of Medical Biophysics, Universidad de Oriente, Santiago de Cuba 90500, Cuba

Received date: 20 Feb 2015

Accepted date: 04 Aug 2015

Published date: 23 Sep 2015

Copyright

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg

Abstract

An active orthosis (AO) is a robotic device that assists both human gait and rehabilitation therapy. This work proposes portable AOs, one for the knee joint and another for the ankle joint. Both AOs will be used to complete a robotic system that improves gait rehabilitation. The requirements for actuator selection, the biomechanical considerations during the AO design, the finite element method, and a control approach based on electroencephalographic and surface electromyographic signals are reviewed. This work contributes to the design of AOs for users with foot drop and knee flexion impairment. However, the potential of the proposed AOs to be part of a robotic gait rehabilitation system that improves the quality of life of stroke survivors requires further investigation.

Cite this article

A. C. VILLA-PARRA , L. BROCHE , D. DELISLE-RODRÍGUEZ , R. SAGARÓ , T. BASTOS , A. FRIZERA-NETO . Design of active orthoses for a robotic gait rehabilitation system[J]. Frontiers of Mechanical Engineering, 2015 , 10(3) : 242 -254 . DOI: 10.1007/s11465-015-0350-1

Acknowledgements

The authors would like to thank CAPES-MES 137/11 Project and SENESCYT/Ecuador for supporting this research.
1
Belda-Lois J M, Mena-del Horno S, Bermejo-Bosch I,  Rehabilitation of gait after stroke: A review towards a top-down approach. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation, 2011, 8(1): 66

DOI PMID

2
Shorter K A, Xia J, Hsiao-Wecksler E T,  Technologies for powered ankle-foot orthotic systems: Possibilities and challenges. IEEE/ASME  Transactions  on  Mechatronics,  2013,  18(1):  337–347

DOI

3
Viteckova S, Kutilek P, Jirina M. Wearable lower limb robotics: A review. Biocybernetics and Biomedical Engineering, 2013, 33(2): 96–105

DOI

4
Prange G B, Jannink M J A, Groothuis-Oudshoorn C G M,  Systematic review of the effect of robot-aided therapy on recovery of the hemiparetic arm after stroke. Journal of Rehabilitation Research and Development, 2006, 43(2): 171–184

DOI PMID

5
Pons J L, Moreno J C, Brunetti F J,  Lower-limb wearable exoskeleton. In: Kommu S S, ed. Rehabilitation Robotics. Vienna: Itech Education and Publishing, 2007, 1: 648

6
Valadao C, Lotério F, Cardoso V,  Robotic walker to assist and monitor physiotherapy sessions. In: Proceedings of the 1st International Workshop on Assistive Technologies. Vitória, 2015

7
Tausel L, Cifuentes C A, Rodriguez C,  Human-walker interaction on slopes based on LRF and IMU sensors. In: Biomedical Robotics and Biomechatronics (2014 5th IEEE RAS EMBS International Conference). Sao Paulo: IEEE, 2014, 227–232

8
Hussain S, Xie S Q, Liu G. Robot assisted treadmill training: Mechanisms and training strategies. Medical Engineering & Physics, 2011, 33(5): 527–533

DOI PMID

9
Low K H, Yin Y. An integrated lower exoskeleton system towards design of a portable active orthotic device. International Journal of Robotics and Automation, 2007, 22(1): 32–43

DOI

10
Hussain S, Xie S Q, Jamwal P K. Adaptive impedance control of a robotic orthosis for gait rehabilitation. IEEE Transactions on Cybernetics, 2013, 43(3): 1025–1034

DOI PMID

11
Bortole M, Venkatakrishnan A, Zhu F,  The H2 robotic exoskeleton for gait rehabilitation after stroke: Early findings from a clinical study. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation, 2015, 12(1): 54

DOI PMID

12
Yoshizawa N. Active AFO with ankle joint brake friction control using force observer. In: Proceedings of Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2012 Annual International Conference of the IEEE. San Diego: IEEE, 2012, 1900–1903

DOI PMID

13
Onen U, Botsali F M, Kalyoncu M,  Design and actuator selection of a lower extremity exoskeleton. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2013, 1: 1–10

14
Winter D A. Biomechanics and Motor Control of Human Movement. 2nd ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2009

15
Pons J L. Wearable Robots: Biomechatronic Exoskeletons. Hoboken: John Wiley & Sons, 2008

16
Madeti B K, Chalamalasetti S R, siva rao Bolla Pragada S K S. Biomechanics of knee joint—A review. Frontiers of Mechanical Engineering, 2015, 10(2): 1–10 

DOI

17
McGibbon C A, Krebs D E. Discriminating age and disability effects in locomotion: Neuromuscular adaptations in musculoskeletal pathology. Journal of Applied Physiology, 2004, 96(1): 149–160

DOI PMID

18
Lobo-Prat J, Kooren P N, Stienen A H,  Non-invasive control interfaces for intention detection in active movement-assistive devices. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation, 2014, 11(1): 168

DOI PMID

19
Chaffin B, Gunnar B, Andersson J,  Occupational biomechanics, 4th edition. Professional Safety, 2006, 51(8): 58

20
Kelly B M, Spires M C, Restrepo J A. Orthotic and prosthetic prescriptions for today and tomorrow. Physical Medicine and Rehabilitation Clinics of North America, 2007, 18(4): 785–858

DOI PMID

21
Mills P M, Barrett R S. Swing phase mechanics of healthy young and elderly men. Human Movement Science, 2001, 20(4–5): 427–446

DOI PMID

22
Pfurtscheller G, Lopes da Silva F H. Event-related EEG/MEG synchronization and desynchronization: Basic principles. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology, 1999, 110(11): 1842–1857

DOI PMID

23
Merletti R, Parker P. Electromyography: Physiology, Engineering, and Noninvasive Applications. Hoboken: John Wiley & Sons, 2004

24
Wafai L, Zayegh A, Begg R,  Asymmetry detection during pathological gait using a plantar pressure sensing system. In: Proceedings of 2013 7th IEEE GCC Conference and Exhibition (GCC). Doha: IEEE, 2013, 182–187

25
Lin L I. A concordance correlation coefficient to evaluate reproducibility. Biometrics, 1989, 45(1): 255–268

DOI PMID

26
Vijay M. The Digital Signal Processing Handbook. Boca Raton: CRC Press, 2009

27
Lalitharatne T D, Teramoto K, Hayashi Y,  Towards hybrid EEG-EMG-based control approaches to be used in bio-robotics applications: Current status, challenges and future directions. Paladyn Journal of Behavioral Robotics, 2013, 4: 147–154

28
Nymark J R, Balmer S J, Melis E H,  Electromyographic and kinematic nondisabled gait differences at extremely slow overground and treadmill walking speeds. Journal of Rehabilitation Research and Development, 2005, 42(4): 523–534

DOI PMID

29
Ishikura T. Biomechanical analysis of weight bearing force and muscle activation levels in the lower extremities during gait with a walker. Acta Medica Okayama, 2001, 55(2): 73–82

PMID

30
Martins M, Elias A, Cifuentes C,  Assessment of walker-assisted gait based on principal component analysis and wireless inertial sensors. Revista Brasileira de Engenharia Biomédica, 2014, 30(3): 220–231

DOI

31
Browning R C, Kram R. Effects of obesity on the biomechanics of walking at different speeds. Medicine and Science in Sports and Exercise, 2007, 39(9): 1632–1641

DOI PMID

32
Chironis N P, Sclater N. Mechanisms and Mechanical Devices Sourcebook. 3rd ed. New York: McGraw-Hill, 2001

33
Veneman J F. A series elastic- and Bowden-cable-based actuation system for use as torque actuator in exoskeleton-type robots. International Journal of Robotics Research, 2006, 25(3): 261–281

DOI

34
Karavas N C, Tsagarakis N G, Caldwell D G. Design, modeling and control of a series elastic actuator for an assistive knee exoskeleton. In: Proceedings of 2012 4th IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob). Sao Paulo: IEEE, 2012, 1813–1819

35
Veneva I. Intelligent device for control of active ankle-foot orthosis. Biomedical Engineering, 2010, 7: 100–105

DOI

36
Cheung J T M, Zhang M. Parametric design of pressure-relieving foot orthosis using statistics-based finite element method. Medical Engineering & Physics, 2008, 30(3): 269–277

DOI PMID

37
Chin R, Hsiao-Wecksler E T, Loth E,  A pneumatic power harvesting ankle-foot orthosis to prevent foot-drop. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation, 2009, 6(19): 1–11

DOI

Outlines

/