Optimal control prediction of assisted walking using torque-driven models : application to active orthosis simulation to assist individuals with spinal cord injury

Abstract

Walking impairment after spinal cord injury leads to a decreased quality of life, other serious health conditions, and substantial health care costs. Consequently, gait restoration is a high priority among spinal cord-injured (SCI) subjects; and it can be partially achieved using active orthoses or exoskeletons, together with some type of external support for balance (e.g., crutches or a walker). Customisation of active orthoses control algorithms to maximise the walking ability of each patient is currently done through trial-and-error methods, making it difficult if not impossible to identify the best active control parameters for any particular patient. An objective simulation-based method that accounts for patient-specific needs would lead to a patient-tailored assistive device development process. Multibody system dynamics has been used for many years for the biomechanical analysis and simulation of human motion. Moreover, optimal control is being used to predict novel human motions, while methods to develop patient-specific neuromusculoskeletal models are currently being investigated. There are published studies that show the potential that subject-specific simulations have to improve rehabilitation treatments and assistive device adaptation to specific subjects. However, researchers have not yet fully demonstrated the effectiveness of these methods using a larger number of patients and a wider variety of treatments.In this thesis, we have investigated the use of optimal control formulations to predict crutch-orthosis-assisted walking using torque-driven multibody dynamic models. The main objective has been to develop a simulation tool to predict crutch-orthosis-assisted walking that could serve in the future as a basis to support the design and control of an active knee-ankle-foot orthosis. The approach used involved development of a subject-specific torque-driven model based on a current available model in OpenSim, into which orthoses and crutches were incorporated. The foot-ground and crutch-ground interactions have been modelled with compliant contact models using visco-elastic force models. The different optimal control problems have been solved using a direct and simultaneous collocation method using the optimal control software GPOPS-II.First, eight different optimal control formulations to track normal and crutch-assisted walking motions were developed and compared. Then, foot- and crutch- ground contact models were developed and calibrated to obtain dynamically consistent full walking cycles using an optimal tracking problem. Moreover, an optimal control framework for predictive simulations of normal and crutch-assisted walking patterns was implemented. Normal walking cycles were predicted using different optimality criteria, and results were analysed and compared. Crutch-assisted walking cycles were also predicted using different optimality criteria, following different walking patterns (four-point, two-point and swing-through), and at different walking speeds. Finally, predictive simulations of crutch-orthosis-assisted walking of a healthy subject and an SCI subject using a real assistive robotic orthosis were performed, and results were evaluated against experimental data. These simulations represent a step forward toward developing a predictive tool for the personalisation of active orthoses to specific SCI subjects, which could maximise the walking ability of each patient. El deteriorament de la marxa després d'una lesió medul·lar disminueix la qualitat de vida, i porta com a conseqüència altres limitacions de salut i un alt cost sanitari. És per això que el restabliment de la marxa és una prioritat per totes les persones amb lesió medul·lar. Aquest restabliment pot ser assolit parcialment utilitzant exoesquelets o ortesis actives, amb l'ajuda d'algun suport extern per mantenir l'equilibri, com crosses o un caminador. La personalització del algorismes de control de les ortesis actives per tal de maximitzar el rendiment de la marxa de cada pacient actualment es fa a través de mètodes de prova i error. Això fa que sigui difícil (si no pràcticament impossible) identificar els millors paràmetres de control per cada pacient. Un mètode objectiu basat en simulació i que tingui en compte les necessitats específiques de cada pacient podria portar-nos cap a un procés de desenvolupament de dispositius d'assistència personalitzats al pacient. La dinàmica de sistemes multisòlid s'ha utilitzat durant bastants anys per a l'anàlisi biomecànica i la simulació del moviment humà. A més, s'estan utilitzant mètodes de control òptim per predir el moviment humà, i s'estan investigant altres mètodes per desenvolupar models neuro-musculo-esquelètics adaptats al pacient. Hi ha estudis publicats que mostren el potencial que tenen les simulacions que utilitzen models personalitzats al pacient de millorar els tractaments de rehabilitació i l'adaptació de dispositius d'assistència a pacients concrets. Tot i així, els investigadors no han demostrat encara l'efectivitat d'aquests mètodes usant un nombre gran de pacients i una varietat més gran de tractaments.En aquesta tesi, hem investigat l'ús de formulacions de control òptim per a predir marxa assistida amb crosses i ortesis actives mitjançant models dinàmics multisòlid a nivell esquelètic. L'objectiu principal ha estat desenvolupar una eina de simulació per tal de predir marxa assistida amb crosses i ortesis actives que pugui servir en el futur com a base per donar suport al disseny i el control d'una ortesi activa de genoll. La metodologia utilitzada inclou el desenvolupament d'un model adaptat al subjecte a nivell esquelètic basant en un model disponible en OpenSim, al qual se li han afegit les crosses i les ortesis. Les interaccions entre els peus i el terra i entre les crosses i el terra s'han modelat amb elements visco-elàstics. Els diferents problemes de control òptim s'han resolt utilitzant un mètode de col·locació directa utilitzant el programari de control òptim GPOPS-II.En primer lloc, s'han desenvolupat i comparat vuit formulacions de control òptim diferents, per tal de fer un seguiment de marxa normal i assistida amb crosses. Després, s'han desenvolupat i calibrat els models de contacte peu-terra i crossa-terra, i s'han utilitzat per obtenir cicles de la marxa sencers dinàmicament consistents, per mitjà d'un problema de control òptim de seguiment de dades experimentals. A més, s'ha implementat un entorn de simulació amb control òptim per a la predicció de marxa normal i assistida amb crosses. S'han predit cicles de marxa normals usant diferents criteris d'optimalitat, i els resultats s'han analitzat i comparat. També s'han predit cicles de marxa amb crosses usant diferents criteris d'optimalitat, seguint diferents patrons de marxa amb crosses (de quatre punts, de dos punts i d'oscil·lació), i a diferents velocitats de marxa. Finalment, s'han realitzat prediccions de marxa assistida amb crosses i ortesis actives per un subjecte sa i un subjecte amb lesió medul·lar, i els resultats s'han avaluat amb dades experimentals utilitzant unes ortesis actives reals. Aquestes simulacions representen un pas endavant cap al desenvolupament d'una eina predictiva per a la personalització d'ortesis actives a pacients específics, que podria maximitzar el rendiment de la marxa de cada pacient.