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Assistive and rehabilitation devices are intended to help recover motor skills after a disorder and thus the patient’s independence. Among these devices, a major interest in recent years has been represented by soft devices of the exo-suit type, which can adopt different morphologies of the human body, thanks to their actuation system. Although in recent years the development of these systems has made great progress, there is currently a shortage of actuating systems, which limits their progress. In this sense, emerging actuation solutions must be sought to overcome the shortcomings of conventional actuators. With this intention, new actuator structures based on bio-inspired shape memory alloys were developed in this thesis in order to mimic the flexibility and strain of human muscle by providing the necessary force to mobilize the joints. In order to carry out this study, different designs of SMA-based actuator structures of single and multi-wire types were implemented together with their control algorithms that improved the current performance of SMA actuators, in terms of operating frequency, power consumption and position error. On the other hand, the main features of the actuator such as simplicity and flexibility in a compact design were maintained with the structures. The results obtained were analyzed, showing that the working frequency of the SMA actuators improved by 0.1 Hz. Furthermore, the possible optimization of the actuator according to the final application, in order to improve its energy efficiency. In addition, in the case of antagonistic configuration, the number of continuous operation cycles of the system was doubled, limited due to the heating of the actuators. To demonstrate the feasibility of integrating actuators into rehabilitation systems, a new actuated exo-suit was designed and implemented for the rehabilitation of the elbow joint in flexion, where the improvements of the multi-wire actuator structure over the single-wire actuator structure were tested. Los dispositivos de asistencia y rehabilitación tienen la finalidad de ayudar a recuperar las capacidades motoras tras un trastorno y por ende la independencia del paciente. Entre estos dispositivos, en los últimos años, un principal interés lo representa los dispositivos blandos de tipo exo-trajes, que pueden adoptar diferentes morfologías del cuerpo humano, gracias a su sistema de actuación. Aunque en los últimos años el desarrollo de estos sistemas presento un gran avance, actualmente existe una carencia centrada en los sistemas de actuación, que limita su progreso. En este sentido, se deben buscar soluciones emergentes de actuación, que superen las carencias de los actuadores convencionales. Con esta intención, en esta tesis se desarrollaron nuevas estructuras de actuadores basados en aleaciones con memoria de forma, bio-inspiradas, con el fin de imitar la flexibilidad y deformación del músculo humano aportando la fuerza necesaria para movilizar las articulaciones. Para llevar a cabo este estudio, se implementaron diferentes diseños de estructuras de actuadores basados en SMA de tipo monofibra y multifibra junto con sus algoritmos de control que mejoró las actuales prestaciones de los actuadores de SMA, desde el punto de vista de frecuencia de trabajo, consumo y error en posición. Por otra parte, con las estructuras se mantuvieron las principales características del actuador como simplicidad y flexibilidad en un diseño compacto. Los resultados obtenidos fueron analizados, demostrando que la frecuencia de trabajo de los actuadores de SMA mejoró 0.1 Hz. Asimismo, la posible optimización del actuador de acuerdo con la aplicación final, para mejorar su eficiencia energética. Por otra parte, en el caso de la configuración antagonista, se duplicó el número de ciclos de funcionamiento continuo del sistema, limitado debido al calentamiento de los actuadores. Para demostrar la viabilidad de integración de los actuadores en los sistemas de rehabilitación, se diseñó e implementó un nuevo exo-traje actuado para la rehabilitación de la articulación del codo en flexión, donde se comprobaron las mejoras de la estructura del actuador multifibra frente a la estructura del actuador monofibra. Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid Presidenta: Cecilia Elisabet García Cena.- Secretaria: María Ángeles Malfaz Vázquez.- Vocal: Diego Fernando Ávila Pesantez |
