customizable rehabilitation lower limb …cdn.intechopen.com/pdfs/40516.pdfcustomizable...

7
International Journal of Advanced Robotic Systems Customizable Rehabilitation Lower Limb Exoskeleton System Regular Paper Riaan Stopforth 1,* 1 Mechatronics and Robotics Research Group (MR 2 G) Bio-Engineering Unit, University of KwaZulu-Natal * Corresponding author E-mail: [email protected] Received 16 Jul 2012; Accepted 5 Sep 2012 DOI: 10.5772/53087 © 2012 Stopforth; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract Disabled people require assistance with the motion of their lower limbs to improve rehabilitation. Exoskeletons used for lower limb rehabilitation are highly priced and are not affordable to the lowerincome sector of the population. This paper describes an exoskeleton lower limb system that was designed keeping in mind that the cost must be as low as possible. The forward kinematic system that is used must be a simplified model to decrease computational time, yet allow the exoskeleton to be adjustable according to the patient’s leg dimensions. Keywords Lower limb exoskeleton, rehabilitation, customizable 1. Introduction The 21st century has seen the realization of wearable robots. From their first introduction into the industrial workplace in the 1960s (Craig, 2005), robots have developed at an incredible rate and now encompass almost every aspect of modern society. Wearable robots are defined as “a mechatronic system that is designed around the shape and function of the human body, with segments and joints corresponding to those of the person it is externally coupled with” (Mohammed and Amirat, 2008). A biomechatronic system is needed for such wearable robots, which is the integration of biology, mechanical, electronic and computer engineering, as shown in Figure 1 (Naidu et al., 2012). Due to technological developments, robotic exoskeleton systems have evolved from rudimentary prototypes with limited application to highly sophisticated devices. These systems have the ability to enhance the performance of humans and enable disabled individuals to perform actions according to the Activities of Daily Living (ADL). There are approximately 250 000 cases of spinal cord injuries per annum in the United States of America alone (Koslowski, 2009). Severe trauma to the spinal cord may result in paraplegia or tetraplegia. Paraplegia is the loss of motor function in the lower extremities, usually with retained upper limb functions. Damage to the central nervous system or spinal cord injuries may result in such a loss of upper or lower limb motor functions (Stokes, 2010). An exoskeleton structure is required for 1 ARTICLE www.intechopen.com Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 152:2012

Upload: doankhue

Post on 11-May-2018

218 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

International Journal of Advanced Robotic Systems Customizable Rehabilitation Lower Limb Exoskeleton System Regular Paper

Riaan Stopforth1,*

 1 Mechatronics and Robotics Research Group (MR2G) Bio-Engineering Unit, University of KwaZulu-Natal * Corresponding author E-mail: [email protected]  Received 16 Jul 2012; Accepted 5 Sep 2012 DOI: 10.5772/53087 © 2012 Stopforth; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract  Disabled  people  require  assistance  with  the motion  of  their  lower  limbs  to  improve  rehabilitation. Exoskeletons used for lower limb rehabilitation are highly priced and are not affordable to the lowerincome sector of the  population.  This  paper  describes  an  exoskeleton lower  limb  system  that was  designed  keeping  in mind that  the  cost must  be  as  low  as  possible.  The  forward kinematic system that is used must be a simplified model to decrease computational time, yet allow the exoskeleton to be adjustable according to the patient’s leg dimensions.  Keywords  Lower  limb  exoskeleton,  rehabilitation, customizable 

 1. Introduction 

The  21st  century  has  seen  the  realization  of  wearable robots.  From  their  first  introduction  into  the  industrial workplace  in  the  1960s  (Craig,  2005),  robots  have developed  at  an  incredible  rate  and  now  encompass almost every aspect of modern  society. Wearable  robots are  defined  as  “a mechatronic  system  that  is  designed 

around the shape and function of the human body, with segments and joints corresponding to those of the person it  is  externally  coupled with”  (Mohammed  and Amirat, 2008).  A  bio‐mechatronic  system  is  needed  for  such wearable  robots,  which  is  the  integration  of  biology, mechanical,  electronic  and  computer  engineering,  as shown  in  Figure  1  (Naidu  et  al.,  2012).  Due  to technological developments, robotic exoskeleton systems have evolved  from  rudimentary prototypes with  limited application  to  highly  sophisticated  devices.  These systems  have  the  ability  to  enhance  the performance  of humans  and  enable  disabled  individuals  to  perform actions according to the Activities of Daily Living (ADL).  There  are  approximately  250 000  cases  of  spinal  cord injuries per annum in the United States of America alone (Koslowski, 2009). Severe  trauma  to  the spinal cord may result  in paraplegia or  tetraplegia. Paraplegia  is  the  loss of motor  function  in  the  lower extremities, usually with retained  upper  limb  functions.  Damage  to  the  central nervous system or spinal cord injuries may result in such a  loss  of  upper  or  lower  limb motor  functions  (Stokes, 2010).  An  exoskeleton  structure  is  required  for 

1Riaan Stopforth: Customizable Rehabilitation Lower Limb Exoskeleton Systemwww.intechopen.com

ARTICLE

www.intechopen.com Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 152:2012

individuals wlower  limbsimplementat

Figure 1. Bio‐M

The  concept enhancementHowever, it wbecame  a  readevelopment“HARDIMANby General Eand outer excontrol  schemhas  been  m(MohammedHybrid Assisgeneration,  amodern techn HAL‐5 was dTsukuba,  Japstrength  augHAL‐5  is a  ftwo  control and “cybernecontrol  schemdetection  forscheme  is usno  viable  EMpredefined m BLEEX  is  a developed byBerkley,  in capabilities oa  highly  sensensors  on  tthe  operatorthe  interactiexoskeleton (

who have  losts.  Such  an ion of the low

Mechatronics in

of  using  an t  has  been  awas only receality. One  of t  of  poN”. This full bElectric Co. in xoskeleton whme  (Pons,  200major  developd  and  Amiratstive Limb  (Hand  Berkley’snology.  

designed by rpan. The HALgmentation  anfull body exosschemes,  na

etic robot contme  utilizes  elr  augmentatiosed for repetitMG  signals. motions for a s

lower  limb  ry researchers an  effort  to

of the operatonsitive  controlhe  exoskeleto. However,  thion  force  be(Kazerooni, 20

t  their motor injury  coul

wer limb exosk

tegration conce

exoskeleton around  for  huently that powthe  first  cont

owered  exobody exoskelethe 1960s, co

hich operated 08).  In  the  laspment  in  exot,  2008).  SystHAL), which  is  BLEEX,  disp

researchers atL‐5 was aimednd  rehabilitatskeleton whicamely  “Bio‐cytrol” (Sanaki, lectromyograpon  operation. tive activities This  draws specific operat

robotic  exoskeat the Univero  improve  tor. BLEEX  is cl  system whicon  to  predict here  are  no  setween  the  o005). 

functions  in d  result  in keleton.  

pt 

for  protectioundreds  of  ywered exoskeletributions  to  eoskeletons eton was desigmprising an ion a master/sst  five  years  toskeleton  systems  such  asis now  in  the play  cutting 

t  the Universid at meeting tion  requiremch  is controlleybernetic  con2006). The forphy  (EMG)  siThe  latter  conor when thereon  a  databastor (Inc, 2011).

eleton which rsity of Califothe  load  beacontrolled  throch  uses data  fthe movemensensors measuoperator  and 

their the 

 

on  or years. etons early was gned inner slave there tems s  the fifth edge 

ty of both 

ments. d by 

ntrol” rmer ignal ntrol e are se  of   

was ornia, aring ough from nt  of uring the 

Thedesiexosconsprosrehawithcoul Thisanddesiwerto  asystrequsimpare relapers

2. Bi

TheprimDegillus

Figu

ThestabTheuse rese

  objectives  anign,  simulateskeleton  sysstruction  for sthetics.  Thisabilitation  of hin  the  gait  cld then be bas

s  paper  inves mechanical  signed  exoskelre to develop aallow  for  thetem  is  requireuiring  a  systplified controshown  and

tionship betwson in motion.

iological and M

  lower  limb  omary  joints,  ngrees  Of  Frestrated in Figu

ure 2. Lower lim

  research  ofbility and focu operator’s baof  stability  a

earch is to reha

nd  contributioe,  design  astem,  which future  resea

s  system  wothe  lower  lim

cycle.  Future dsed on this res

stigates  the  insystems withileton.  The  oba forward kine  motions  of ed  to  cost  lesstem  that  is  rol system.   Simd  tests  are ween actuators. 

Mechanical In

of  the  humannamely  the  heedom  (DOFure 2 (Sanaki, 2

mb degrees of fre

f  the  lower used mainly onalance could baids,  such  as abilitate the m

on  of  the  reseand  test  a 

would  be arch  on  advaould  be  mainmbs  by  meandevelopment earch. 

ntegration  of  tin  a  body,  anbjectives  and ematic model walking.  Thes  than US$ 3,0reliable,  safe mulations  for performed  ts and the reha

ntegration 

n  skeleton  comhip,  knee  andF)  each  joint2006). 

eedom 

limbs  initialn the motion obe maintainedcrutches.  Th

motion of a per

earch were  tolower  limbthe  initial

anced  roboticnly  used  forns  of  motionand  research

the  biologicalnd  that  of  thecontributionsof the systeme  exoskeleton000,  thereforeand  with  athe gait cycleto  show  theabilitation of a

mprises  threed  ankle.  Thet  permits  is

 

lly  neglectedof the system.d  through  thehe  aim  of  therson’s legs. 

o b l c r n h 

l e s m n e a e e a 

e e s 

d . e e 

2 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 152:2012 www.intechopen.com

Hip  abduction/adduction  and  internal  rotation  do  not play a significant role during the walking cycle (Hian Kai et  al.,  2009),  and  were  omitted  from  the  design.  The design  developed  is  seen  in  Figure  3, which  permitted walking  in  a  straight  line.  This  straight  line  walking means  that  the  hip,  knee  and  ankle  joints  permit articulation of the limbs in the sagittal plane (Naidu et al., 2011b). 

 Figure 3. Lower limb design 

The  ranges of motion  for  the  joints are constrained such that  hyper‐extension  and  hyper‐flexion  do  not  occur. These  ranges  are  tabulated  in  Table  1  (Naidu  et  al., 2011b).  Mechanical  stops  at  the  extremities  act  as  a failsafe  in  the  event  of  an  electrical  or  software  failure from the safety switches. Lower operational limits can be entered  on  a  graphics  user  interface  (GUI)  should  a patient need rehabilitation at lower angles. 

 Table 1. Joint range of motion 

Both  the  hip  and  knee  DOF  were  actuated,  while  the ankle  joint was designed  to be passive. A  torsion spring mounted at the ankle was used to return the foot plate to a neutral position during the swing phase of the walking cycle. Data from clinical gait analysis (Riener et al., 2002) were  evaluated  to  determine  the  joint  torques  for  the actuated  DOF.  For  a  100  kg  system,  the  torque requirement  for  hip  extension was  80 Nm.  The  torque required  for  knee  extension  during  stair  climbing  was 140 Nm  and  50  Nm  during  walking.  Actuators  were 

selected  such  that  the maximum  torque was met, which allows  for  the  operator  to  be  raised  or  lowered  from  a seated  position.  Electric  linear  actuators  from  Phoenix Mecano’s LZ60 range were selected as  they offered high speed/load  capabilities  and  a  less  bulky  design  than direct mounted rotational actuators. 

3. Customizable Kinematic Model 

A kinematics analysis was undertaken for the lower limb exoskeletons. The Denavit‐Hartenberg  (D‐H)  convention was incorporated for assigning the reference frames. The transformation matrix  shown  in Equation  (1),  represents joint i relative to joint i‐1. The exoskeletons are rigid serial mechanisms,  which  allow  for  the  end‐effecter  to  be represented relative to the fixed base frames (Craig, 2005).  

  ����� � ���� ���� 0 ����

�������� �������� ������ ���������������� �������� ����� �������0 0 0 1

�       (1) 

Where:   ��−1=distance from ��−1 to �� about ��−1   �� =angle from ��−1 to �� about ��−1   �� =angle from ��−1 to �� about ��� �� =distance from ��−1 to �� along ��  The lower limbs have identical kinematic chains, thus the fixed  reference  frame  was  defined  at  the  hip,  and  the transformation matrices relating the ankle to the reference frame  were  found.  These  matrices  can  be  seen  in Equations  (2)  ‐  (4),  which  have  been  derived  from Equation (1) (Naidu et al., 2011b).  

  ��� � � ��1 ��1 0 0�1 �1 0 00 0 1 00 0 0 1

�                              (2) 

  ��� � � �1 0 0 �10 1 0 00 0 1 00 0 0 1

�                                (3) 

  ��� � ��� ��� 0 ���� �� 0 00 0 1 00 0 0 1

�                            (4) 

The  forward  kinematics  of  the  exoskeleton  leg  were obtained using Equation (5) (Craig, 2005). This kinematics model  relates  the  end‐effector  to  the  origin  of  the  base frame, which is represented by the GH joint. 

  � ��� � ��� � �������                               (5) 

3Riaan Stopforth: Customizable Rehabilitation Lower Limb Exoskeleton Systemwww.intechopen.com

3.1 Inverse Ki

Several  invewhich  the  Dsuperior  arouDLS methodvector  of  thechange in    Matrix   is terms of  the represented bend‐effector exoskeleton. represented 

 and

 

The  iterationJacobian andkinematics.  The  JacobianThis will  resand n = 4. 

 

The change i2004). 

 

J’,  λ  and  I factor  and  ifactor  compresult of sing The  multipliproduces  a computationerror value  iand  the  targThe  algorithFigure 4. Thevalue which then  iterativangles  are  uerror value is The  inverse verified  throuseen  in  Figurwhich  used depicts  the m

nematic Model

erse  kinematiDamped  Leaund  singularid  implements e  mechanism(Buss, 2004).  

in the form ofend‐effector, by the first thris  consideredThis  positioby  S  (Equat

d .  

n of  small angd results  in a 

n  is  representult  in an m x

in   can be d

Δϑ =(inv

represent  theidentity  matrpensates  the gularities (Na e

ication  of  thsquare  ma

  of  the  inveris  the differenet position. Thm  of  the  De  iteration prois  initially  c

vely  solved  aupdated.  Thiss reduced to a 

kinematics  wugh  simulationre 5, was moda  random  numaximum  ran

s (Naidu et al.,

ic  iterative  mast  Squares  (ities  and  comthe  Jacobian

m  and  is  requ

f Equation 1 arelative  to  three rows of thd  to  be  the on  of  the  endtion  6)  and 

           

gle changes  islinear derivat

ted  by  Equatix n matrix;  in 

              

etermined by 

v(J’J + λ2I)*J’)*e

e  Jacobian  trarix  respectivecomputationaet al., 2008).  

e  Jacobian  watrix  which rse  of  this  mnce between  tThis  is updateDLS  method ocess  is depenalculated.  Theand  the  errors  process  is  rdesired tolera

were  derivedns  on Matlab®delled with  thumber  generange  of motion

 2012) 

methods  exist(DLS)  metho

mplex designs.n  of  the  positiuired  to  solve

and the X ,Y anhe base  framee last column.foot  part  of

d‐effector  wilis  a  function

                        

s a  function otion of  the  inv

ion  7 (Buss,  2this model m

                        

Equation 8 (B

error                 

anspose,  damly.  The  damal  problems 

with  its  transallows  for 

multiplication. the  initial posed  in  the  iterais  illustrated

ndent on  the ee  angle  changr  value  and repeated  untilance. 

d  analytically ®.  The worksphe  use  of Matlation  method, n  for  each  leg

t,  of od  is  The ional e  the 

nd Z e, are . The f  the ll  be n  of 

   (6)  

f  the verse 

004). m = 3 

   (7) 

Buss, 

   (8) 

mping mping as  a 

spose the The 

sition ation. d  in error ge  is joint l  the 

and pace, lab®, and 

.  For 

simuand 

Figumeth

Thethe Theleg visuincluupri

Figu

4. C

Instare whicalcrele

ulation purposL2 = 430 mm f

ure 4. Flowcharthod 

 plane  in Figuanterior of  th workspace d(blue), while

ual  reference udes  the  jointight and in a s

ure 5. Range of m

Control Archite

ructions  suchperformed  onich calculates ulated  or  inpvant microcon

ses, limb lengtfor the thigh an

Errocurr

Wh

Δ� =λ²I)

Up

Upd

t illustrating the

ure 5  represenhe model  facindepicts the ran  the  stance  leonly.  The  fult ranges both seated position

motion for lowe

ecture 

h  as  joint  chann  a  GUI.  Thethe relevant kputted  joint  anntrollers whic

ths were set tond shank respe

or = target –ent position

hile error > value

=(inv(J’J + )*J’)*error

date error

date theta

 e iteration proce

nts  the sagittang  the positivnge of motioneg  (green)  is ll  scope  of  thfor motion wn. 

er limbs 

nges  or  co‐ore  data  is  senkinematic calcngles  are  thech will carry o

o L1 = 500 mmectively. 

ess of the DLS 

al plane, withve x direction.n of the swingincluded  for

he workspacewhile standing

rdinate  pointsnt  to Matlab®culations. Then  sent  to  theout  the motor

h . g r e g 

s ® e e r 

4 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 152:2012 www.intechopen.com

control opera(Stopforth et devices. A  Psystem. A Gexoskeleton models  are references wallow for theFigure 6. Theback to Matla

Figure 6. Contthe exoskeleton

The microcolinear  actuat1280 on an Aon  the actuafeedback  froinaccurate  repositions, whtherefore  pthemselves. shown in Fig

Figure 7. Syste

5. Tests and R

The design oso as to haveinteraction ofof  the  lowershown in Fig A stand was allowing for air. This eliminjuring of anfalling. 

ations. The Roal., 2011) was

PD  control  syGUI  interface system  throcalculated  an

within  the conte positional coe microcontroab®. 

trol architecturen system 

ntroller that wtors  and  senArduino boarators  to act asom  the  encoesults.  The  lihich reset theprevented  tThe  electronigure 7. 

em integration o

Results 

of the lower lime a platform tof the human‐mr  limb  exoskegure 8. 

developed tofree motion a

minated the prony person due

obotic Commus used to sendstem was  impallows  the  uugh  Matlab®nd  these  angtrol  system. Fontrol model, woller  relays  th

e of the PD contr

was used for nsory  networkrd. Limit swits a  fail safe syoders  on  thmit  switches e counters on the  person ic  integration

of the exoskeleto

mb exoskeletoo perform testmachine interaeleton  that  w

o mount the exs if the personoblematic areae to the exoske

unication Protd data betweenplemented  onser  to  control®.  The  kinemgles  are  usedFeedback encowhich is showhe position  con

rol implemented

the control ok  is  the  ATMtches were plystem, shoulde  actuators acted  as  homthe encodersfrom  inju

n  of  the  syste

on legs 

on was kept simts and observeaction. The de

was  constructe

xoskeleton legn were walkina of instabilityeleton tipping

tocol n the n  the l  the matic d  as oders wn in ntrol 

 d in 

f the Mega laced d  the give ming s and uring em  is 

 

mple e the esign ed  is 

gs to, ng on y and g and 

TheweractuTestthe Figu

Figubein

Figu

Therateto  rindiflexi

  LZ60P0150 re  used  in  theuators operatets indicated thactuator  feedure 9. 

ure 8. Constructing tested for com

ure 9. Graph of f

 graph in Figu of approximarotate  90°  in icate the relatiion of the leg.

linear  actuatoe  design  of  the at 36 V and chat there is a ld‐rate  and  th

ion of the lowermfort and motio

feed rate (x 10‐1 

ure 9 shows thately 28 mm/s 1  second.  Reionship betwe

ors  from  Phohe  exoskeletocan exert a forlinear relationhe  gait  cycle, 

r limb exoskeleton 

m/s) vs.gait cyc

hat the actuatowould allow esults  shown een the actuat

oenix  Mecanon  legs.  Theserce of 2000 N.nship betweenas  shown  in

 ton that is 

cle 

or with a feed‐the knee jointin  Figure  10

tor length and

o e . n n 

‐t 0 d 

5Riaan Stopforth: Customizable Rehabilitation Lower Limb Exoskeleton Systemwww.intechopen.com

Figure 10. Gra

The graph  inthe actuator mthe required motion of thcompleted, aof  the  lowerFigure 11. 

Figure 11. The

The  control person. The gait  cycle  wextensionjoinand  the  averFigure 12 an55°  and  60°respectively. 

ph of actuator l

n Figure 10 shmoves from 2stroke length e actuators alas required forr  limb  exoskel

 lower limb exo

system was  twalking moti

within  3  seconnt angles wererage  values wd Figure 13 re°  were  placed

length (mm) vs.

hows  that  for 70 mm down of approximallow for the fur rehabilitatioleton  being  te

oskeleton being 

tested  for  the ion was  initiands.  The  hip e monitored  fwere  recordedespectively. Cd  for  the  hip

knee flexion 

a 120° revoluto 118 mm, giately 150 mm.ull gait cycle tn.The final deested  is  show

tested 

weight of  10ated  to compleflexion  and for  the gait cyd  as  illustrateConstraint limip  and  knee 

 

ution, iving . Full to be esign wn  in 

 

00 kg ete a knee ycles, ed  in its of joint 

Figu

Figucycle

Theand50 W

6. C

Theallowsagiexosfor lto  apersrestr ThekineusedThethe wasallow Themmrequlengobtaalgothe 

ure 12. Average 

ure 13. Average e 

 maximum po knee extensiW respectively

Conclusion 

 lower limb pwed  for hip, ittal  plane.  Oskeleton  framleg rehabilitatallow  for  adjson  with  a  wriction allowe

  D‐H  notatiematics of  thed  to derive  th workspace ofrange of mots used  to  solvwing determin

  feed‐rate of m/s allowing thuired for the ggth  of  150  mained for walkorithm and arknee  joint  o

hip flexionjoint

knee extensionj

ower of the acons were  recoy. 

prototype exosknee  and ankOther  DOF 

me as  these motion. The exoskjustability  anweight  less  ted for a safety 

on  was  usede mechanism. he relative  joinf the design wtion. The Damve  the  inversening the angle

the  linear acthe knee joint tgait cycle. Formm  is  requireking motion hchitecture havof  1°  above 

t angle within th

joint angle with

ctuators for thorded as bein

skeleton was kle  joint articuwere  eliminotions were ukeleton legs wnd  the  rehabithan  100 kg. factor to be in

d  to  derive The D‐H parnt  transformawas simulatedmped Least Sqe kinematics oe of each joint

uators was  foto rotate 90° inr a 120° revolued.  The  resulhave shown thve caused an the  constrain

he gait cycle 

hin the gait 

he hip flexionng 110 W and

designed thatulation  in  thenated  on  thesed  less oftenwere designedilitation  of  aThis  weight

ncluded. 

the  forwardrameters weretion matrices.d to determinequare methodof  the  system,. 

ound  to be 28n 1 second, asution, a strokelts  that  werehat the controlovershoot fornt  limit  (60°)

n d 

t e e n d a t 

d e . e d , 

8 s e e l r ) 

6 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 152:2012 www.intechopen.com

indicated  on  the GUI. An  undershoot was  observed  by the  hip  joint, which  is  possibly  due  to  the  load  on  the actuators that damped the chance of an overshoot.  The  operation  of  the  biological  leg  and  previous  lower limb  exoskeletons  were  researched.  The  mechanical properties  of  the  biological  leg  were  correlated  to  the design and development of the exoskeleton legs to allow rehabilitation  in  the  sagittal  plane.  The  objectives explained  in  the  introduction  were  achieved.  The integration of the electronic system to control and operate the mechanical system was explained in the paper. Safety implementation  of  the  system  was  integrated mechanically,  electronically  and  by means  of  software.  The  research  has  developed  a  prototype  system  that allows  for  the  rehabilitation  of  a  person’s  lower  limbs, which came to a total cost of under US$ 3,000.Satisfactory results  were  obtained  to  allow  future  work  to  be performed on the system. 

6.1. Future Work 

The actuators that were used in the prototype system had a low torque and speed which could be increased to allow rehabilitation  of  people  with  greater  weight.  Higher torque actuators  that have a  low weight  ratio would be more  beneficial,  but  would  increase  the  cost.  The prototype  system  could  be  improved  and  expanded  for different  types  of  applications.  Adaptive  control architecture  could  be  implemented  into  the GUI model that will take into account the weight of the person. These variables  could be determined by  sensors placed on  the exoskeleton lower limb system.  The designed  lower  limb  exoskeleton  system will  allow for rehabilitation in an up‐right position. Investigation of a  lower  limb  rehabilitation  system  in  a  seated  position could  be  considered,  with  the  use  of  an  impedance control system. 

7. References 

[1] Buss, S.R. (2004), ʺIntroduction to Inverse Kinematics with  Jacobian  Transpose,  Pseudoinverse  and Damped  Least  Squares  methodsʺ,  IEEE  Journal  of Robotics and Automation, 17 April 2004. 

[2] Craig,  J.J.  (2005),  Introduction  to  Robotics  ‐Mechanics and  Control  3rd  ed.  Upper  Saddle  River:  Pearson Prentice Hall. 

[3] Hian  Kai,  K.,  Missel,  M.,  Craig,  T.,  Pratt,  J.E., Neuhaus,  P.D.  (2009),  ʺDevelopment  of  the  IHMC Mobility  Assist  Exoskeleton”,  IEEE  International Conference in Robotics and Automation (ICRA 2009), pp. 2556‐2562.  

[4] Inc., C.  (2011).  “Hybrid Assistive  Limb”, Available: http://www.cyberdyne.jp/english/index.html, 18 May 2011 

[5] Kazerooni,  H.,  Racine,  J.‐L.,  Lihua,  H.,  Steger,  R. (2005),  ʺOn  the  Control  of  the  Berkeley  Lower Extremity Exoskeleton  (BLEEX),ʺ  IEEE  International Conference of Robotics and Automation (ICRA 2005), pp. 4353‐4360.  

[6] Koslowski,  H.M.  (2009),  ʺSpinal  Cord  Injury: Functional  Outcomes  in  2009  and  Beyond,ʺ Northeast Florida Medicine, vol. 60, pp. 32‐35.  

[7] Mohammed,  S.  and  Amirat,  Y.  (2008),  ʺTowards intelligent  lower  limb  wearable  robots:  Challenges and perspectives ‐ State of the artʺ, IEEE International Conference  on Robotics  and Biomimetics,  2008,  pp. 312‐317. 

[8] Na,  M.,  Yang,  B.,  and  Jia,  P.  (2008),  ʺImproved damped least squares solution with  joint limits,  joint weights  and  comfortable  criteria  for  controlling human‐like  figures.,ʺ  IEEE Conference  on  Robotics, Automation and Mechatronics, pp. 1090‐1095. 

[9] Naidu,  D.,  Stopforth,  R.,  Bright  G.,  Davrajh,  S. (2011a), ʺA 7 DOF exoskeleton arm: Shoulder, elbow, wrist  and  hand mechanism  for  assistance  to  upper limb  disabled  individuals,ʺ  AFRICON,  2011, Livingstone, Zambia; IEEE, pp. 1‐6, 13‐15 Sept. 2011 

[10] Naidu,  D.,  Cunniffe,  C.,  Stopforth,  R.,  Bright,  G., Davrajh, S.  (2011),  “Upper  and  Lower  exoskeleton limbs  for Assistive and Rehabilitative Applications”, 4th  Conference  of  Robotics  and  Mechatronics (RobMech), Pretoria, South Africa, November 2011 

[11] Naidu, D.,  Stopforth R., Davrajh S., Bright G. (2012), “A Portable Passive Physiotherapeutic Exoskeleton”, International  Journal of Advanced Robotic Systems,  InTech, Vol 9 

[12] Pons,  J.L.  (2008),  “Wearable  Robots:  Biomechatronic Exoskeletons”, Chichester, West Sussex: John Wiley & Sons Ltd, 2008. 

[13] Riener,  R.,  Rabuffetti,  M.,  Frigo,  C.  (2002),  ʺStair ascent  and descent  at different  inclinationsʺ, Gait & Posture, vol. 15, pp. 32‐44. 

[14] Sankai, Y. (2006), ʺLeading Edge of Cybernics: Robot Suit  HAL,ʺ  International  Joint  Conference  (SICE‐ICASE 2006), pp. 1‐2. 

[15] Stopforth,  R.,  Bright,  G.,  Davrajh,  S.,  Walker,  A., (2011),  ʺImproved  communication  between manufacturing  robots,  ʺSouth  African  Journal  of Industrial Engineering, vol. 22, pp. 99 ‐ 107. 

[16] Stroke,  N.  I.  o.  N.  D.  a.  (2010),  “NINDS  Brachial Plexus  Injuries  Information  Page”,  Available: http://www.ninds.nih.gov/disorders/brachial_plexus/brachial_plexus.htm, 31 May 2010. 

 

 

7Riaan Stopforth: Customizable Rehabilitation Lower Limb Exoskeleton Systemwww.intechopen.com