The implications of gait disorder, muscle weakness, and spinal cord injuries for work and age-related mobility degradation have increased the need for rehabilitation exoskeletons. Specifically, the hip rehabilitation exoskeletons due to a high percentage of the mechanical power is generated by this join during the gait cycle. Additionally, the prolonged hospitalisation after hip replacement and acetabular surgeries that affect human mobility, the social-economic impacts and the quality of life. For these reasons, a hip rehabilitation exoskeleton was our focus in this research, as it will contribute being a sustainable solution to take over the burden of physiotherapy and let patients perform their rehabilitation at home or outdoors. 

This thesis details an approach of creating a hip rehabilitation exoskeleton, starting with modelling, simulating, and controlling the rehabilitation hip joint in a based-simulation environment. The mathematical model and the reason for using a series elastic actuator in the hip joint to execute the movement in a sagittal plane are more detailed. Because trajectory tracking is commonly used for controlling rehabilitation exoskeletons to ensure safe and reliable motion tracking methods; therefore, two desired torque signals were tested and analysed with the optimal linear quadratic regulator (LQR). The experiments were performed using two torque signals of a healthy hip joint—representing the sit-to-stand (STS) and the walking activity for their importance in lower limb movements. However, the mathematical model used as a basis of the optimal control strategy is usually influenced by multiple sources of uncertainties. Therefore, four case studies of various optimal control strategies were tested for a twofold reason: to choose the most optimal control strategy, and to test the energy consumption of these cases during the STS and walking movements, because the long-term goal is to produce a lightweight and reliable rehabilitation hip exoskeleton.

The research showed compelling evidence that tuning the control strategy will not influence the robustness of an optimal controller only, but affect the energy consumption during the STS and walking activity, which needs to be considered in exoskeleton control design regarding its applications.

Behovet av exoskelett för rehabilitering har ökat p.g.a. komplikationer som uppstår vid arbete och åldersrelaterad försämring. Komplikationerna består bland annat av gångstörning, muskelsvaghet och ryggmärgsskador. Speciellt höftexoskelett avsett för rehabilitering är extra intressant på grund av att rehabilitering inom detta område omfattar långvarig sjukhusvistelse efter höftprotes- och acetabulära operationer. Höftleden är en av de leder som utsätts för relativt höga mekaniska påfrestningar och minskad rörelseförmåga leder inte sällan till socioekonomiska effekter och minskad livskvalité. Av denna anledning kommer höftexoskelett för rehabilitering vara det primära området i denna avhandling då det kommer att vara en lösning för att minska belastningen inom sjukvård och låta patienter utföra sin rehabilitering hemma på egen hand.

Denna avhandling beskriver en metod för att skapa ett höftexoskelett avsett för rehabilitering med början i modellering, simulering och kontroll av en höftled av exoskelett i en simuleringsmiljö. Genom att använda ett serieelastiskt manöverdon för att utföra en höftledsrörelse i ett sagittalt så uppnås en mer detaljerad matematisk modell. Genom att använda banspårning, som vanligtvis används för att kontrollera exoskelett för rehabilitering för att säkerställa säkra och pålitliga rörelsespårningsmetoder, så analyserades två vridmomentssignaler mot en linjär kvadratisk regulator (LQR). Simuleringarna utfördes med hjälp av två vridmomentsignaler som representerar sitt-till-stå (STS) och gångaktivitet hos en frisk höftled. Den matematiska modellen som används för att hitta den optimala kontrollstrategin påverkas vanligtvis av flera osäkerhetskällor. Därför testades fyra fallstudier av olika optimala kontrollstrategier för två skäl: den ena för att välja den mest optimala kontrollstrategin emellan och den andra för att mäta energiförbrukningen för dessa STS och gångrörelse så att vi kan producera ett lätt och pålitligt höftexoskelett avsett för rehabilitering.

Forskningen visar övertygande bevis för att inställning av styrstrategin inte bara kommer att påverka robustheten hos en optimal styrenhet utan även påverkar energiförbrukningen under STS och gångaktivitet vilket måste beaktas vid design av exoskelett.

The increasing need for rehabilitation, especially among an aging population, poses challenges for healthcare systems. Exoskeletons, which integrate advanced electronics, control systems, and wireless communication, offer significant potential in rehabilitation by supporting and restoring human movement. However, realizing their full potential requires extensive research despite the technical challenges, focusing on developing intuitive interfaces, ensuring safety, and validating reliability for clinical and home use. 

This thesis sheds light on the development and validation of a model-based method to optimize exoskeleton control systems, focusing on robustness and energy efficiency. Utilizing a simulation environment, four control cases with a Linear Quadratic Regulator (LQR) are analyzed to assess performance under varying conditions and uncertainties. The impact of adjustments in the Q and R matrices within the LQR framework on system stability and power consumption is specifically examined. This approach provides insights into achieving a balanced design that is both reliable and energy-efficient, as these qualities are crucial for the future development of exoskeletons in rehabilitation. 

The thesis also explores the use of IMU sensors in smartphones as a costeffective alternative to traditional, expensive fixed motion capture systems for determining human gait cycles and joint movements, which are necessary for controlled rehabilitation. With a focus on gait recognition, the study demonstrates that these sensors can provide sufficient accuracy for various applications, suggesting their potential for rehabilitation by offering a more accessible and flexible solution. This technology could be used as a tool to recognize humans based on their joint movements, potentially improving patient recovery and expanding access to rehabilitation beyond clinical settings. 

Referring to our research results and society's need for rehabilitation devices to train patients not only in hospitals but also at home in challenging times like pandemics, we identified various design parameters, suitable motors, and materials using extensive preliminary simulations such as AnyBody modeling system to develop a functional lower leg exoskeleton. The prototype was designed to be practical and comfortable for home use. A wireless control mechanism enables remote rehabilitation exercises, allowing caregivers to monitor and adjust the process in real time, thus increasing patient autonomy and reducing clinic visits. 

Initial experiments indicated that the prototype performed as intended using a Proportional Integral Derivative (PID) controller, with high precision and fast response to remote commands while maintaining user comfort and rehabilitation effectiveness. While our prototype was constructed from aluminum alloy with the aim of home use and affordability, we recognized the importance of evaluating more sustainable materials for its construction. Therefore, we conducted a sustainability assessment using Life Cycle Assessment (LCA) methods to compare Glass Fiber Reinforced Composites (GFRC), Polycarbonate or Polylactic acid (PC/PLA) materials, and aluminum. Our findings indicate that PC/PLA materials provide a more sustainable alternative to aluminum for future exoskeleton development. Despite challenges such as sensor calibration and maintaining stable wireless communication, our study demonstrates the potential of remote-controlled lower leg exoskeletons to enhance rehabilitation accessibility and adaptability. Building on these findings, future work could focus on optimizing the technology further and conducting extensive clinical trials to assess its long-term benefits and effectiveness in rehabilitation.

Det ökande behovet av rehabilitering, särskilt inom den åldrande befolkningen, utgör utmaningar för hälso- och sjukvårdssystemen. Exoskelett, som integrerar avancerad elektronik, styrsystem och trådlös kommunikation, erbjuder betydande potential inom rehabilitering genom att stödja och återställa mänsklig rörelse. För att realisera deras fulla potential krävs dock omfattande forskning för att övervinna tekniska utmaningar, med fokus på att utveckla intuitiva gränssnitt, säkerställa säkerhet och validera tillförlitlighet för såväl kliniskt bruk som för hemmabruk. 

Denna avhandling belyser utvecklingen och valideringen av en modellbaserad metod för att optimera exoskelettets styrsystem, med fokus på robusthet och energieffektivitet. Genom att utnyttja en simuleringsmiljö analyseras fyra styrfall med en linjär-kvadratisk regulator (LQR) för att bedöma prestanda under varierande förhållanden och osäkerheter. Särskild uppmärksamhet ägnas åt effekten av justeringar i Q- och R-matriserna inom LQR-ramverket på systemets stabilitet och energiförbrukning. Denna metod ger förståelse för i hur man uppnår en balanserad design som är både pålitlig och energieffektiv, vilket kan vara avgörande för framtida utveckling av exoskelett inom rehabilitering. 

Avhandlingen utforskar också användningen av IMU sensorer i smartphones som ett kostnadseffektivt alternativ till traditionella dyra, fasta rörelsedetektionssystem för att bestämma mänskliga gångcykler och ledrörelser, vilket är nödvändigt för kontrollerad rehabilitering. Med focus på gångigenkänning visar studien att dessa sensorer kan ge tillräcklig noggrannhet för olika applikationer, vilket antyder deras potential för rehabilitering genom att erbjuda en mer tillgänglig och flexibel lösning. Denna teknologi kan användas som ett effektivt verktyg för att känna igen människor baserat på deras ledrörelser, vilket kan avsevärt förbättra patienternas återhämtning och utöka tillgången till rehabilitering bortom kliniska miljöer. 

Vårt arbete i kombination med samhällets behov av rehabilitering för att träna patienter, inte bara på sjukhus utan också hemma, identifierade olika designparametrar såsom, till exempel vridmoment. Detta styrde valet av lämpliga motorer. Omfattande preliminära simuleringar med AnyBody-modelleringssystemet för att utveckla ett funktionellt exoskelett för underbenet har utförts. En prototyp utformades för att vara praktisk och bekväm för hemmabruk. En trådlös styrmekanism möjliggör fjärrstyrda rehabiliteringsövningar, vilket tillåter vårdgivare att övervaka och justera processen i realtid, därmed öka patientens autonomi och minska klinikbesök. 

Inledande experiment visade att prototypen presterade som avsett med användning av en PID-regulator, med hög precision och snabb respons på fjärrstyrningskommandon, samtidigt som användarkomfort och rehabiliteringseffektivitet bibehölls. För att kunna överföra prototypen till en produkt lämplig för hemmabruk krävs ett lättare men starkare material än den aluminiumlegering vi använt. Därför genomförde vi en hållbarhetsbedömning med hjälp av livscykelanalys (LCA) för att jämföra glasfiberarmerade kompositer (GFRC), Polykarbonat eller Polylaktid (PC/PLA) material och aluminium. Analysen visar att PC/PLA-material erbjuder ett mer hållbart alternativ än aluminium för framtida exoskelettutveckling. Trots utmaningar som sensorkalibrering och att upprätthålla stabil trådlös kommunikation, visar vår studie att fjärrstyrda exoskelett för underbenet har potential att förbättra tillgänglighet och anpassningsbarhet inom rehabilitering. Utifrån dessa resultat skulle framtida arbete kunna fokusera på att ytterligare optimera teknologin och genomföra omfattande kliniska studier för att utvärdera dess långsiktiga fördelar och effektivitet inom rehabilitering.