Robotic Assistive Strategies to Promote Gait in Toddlers with Cerebral Palsy

Abstract

The ability to walk is a defining milestone in human development, shaping a child's capacity for independent exploration, social interaction, and cognitive growth. Gait acquisition is a complex process that requires the maturation of the central nervous system, musculoskeletal strengthening, and multisensory integration. While in typically developing children these mechanisms converge during the first years of life, enabling the onset of independent walking, in children with cerebral palsy (CP) early brain injury disrupts this process, interrupting the natural sequence of motor learning and forcing them to relearn to walk under impaired motor control. Conventional rehabilitation approaches, although potentially effective, offer limited opportunities to achieve the amount and quality of practice required. Robotic rehabilitation has proven effective in overcoming these limitations, providing safe, high-intensity, high-volume training. However, most current systems are designed for older children or adults and do not address the specific needs of early rehabilitation, missing the opportunity to intervene during peak neuroplasticity, when the potential for motor recovery is greatest. In this context, this thesis introduces the Discover2Walk (D2W), a robotic platform specifically designed for early-stage gait rehabilitation in children with CP. The D2W is a cable-driven, treadmill-based system that provides end-effector assistance at the pelvis and ankles. It overcomes key limitations of rigid platforms while ensuring safe, effective support. Its modular architecture implements a hierarchical control system adaptable to each patient, comprising: (i) a high-level module for user-intent recognition and adaptive assistance modulation, (ii) a mid-level module for gait pattern generation and trajectory planning, and (iii) a low-level module for real-time control of the pelvic, ankle, and treadmill subsystems. This work presents the motivation, design, implementation, validation, and conclusions of the platform's development. It begins with a review of gait development in children with CP and the limitations of current robotic solutions; details the design rationale and technical validation; describes three data-driven gait pattern generators, including angular and spatial multivariable regression models and Long Short-Term Memory (LSTM) networks, for synchronized module assistance; and introduces two adaptive control strategies to automatically adjust assistance force, trajectory, and gait speed to each patient's needs. The preliminary clinical validation, conducted as a pilot study at the Hospital Infantil Universitario Niño Jesús with three children with CP (ages 3, 4, and 5; GMFCS levels IV, III, and I), involved 12 sessions over four weeks. Results showed a significant increase in gait dose, session duration and number of steps, as well as improvements in gait speed and stride length. Pre- and post-intervention overground assessments confirmed these gains, particularly in step length of the more-affected limb and step-length symmetry. These findings, although preliminary, support the potential of the Discover2Walk as a dedicated robotic solution for early gait rehabilitation in children with CP, capable of delivering intensive, individualized, and safe practice during a critical window of neuroplasticity. This work represents a meaningful step toward integrating adaptive assistive technologies into pediatric clinical practice, demonstrating feasibility in real-world conditions. The results justify larger-scale and longitudinal studies, positioning the D2W as a significant contribution to scientific and technological progress in pediatric gait rehabilitation. RESUMEN La capacidad de caminar constituye un hito fundamental del desarrollo humano, determinante para la exploración del entorno, la interacción social y el progreso cognitivo. La marcha es un proceso complejo que exige la maduración del sistema nervioso central, fortalecimiento musculoesquelético e integración multisensorial. En niños con desarrollo típico, estos mecanismos convergen durante el primer año de vida, resultando en la adquisición de la marcha independiente. Sin embargo, en niños con parálisis cerebral (PC), una lesión cerebral temprana altera este proceso, interrumpiendo la secuencia natural de aprendizaje y obligándoles a reaprender a caminar desde un control motor afectado. Los enfoques de rehabilitación tradicionales, aunque potencialmente eficaces, ofrecen oportunidades limitadas para alcanzar la cantidad y calidad de práctica necesarias. En otras poblaciones, la robótica de rehabilitación ha demostrado superar estas barreras, proporcionando entrenamiento de alta intensidad y volumen de forma segura. No obstante, la mayoría de los sistemas actuales están diseñados para pacientes de mayor edad y no se adaptan a la rehabilitación temprana, desaprovechando la ventana de máxima neuroplasticidad, cuando la intervención puede tener mayor impacto. En este contexto, la presente tesis introduce el Discover2Walk (D2W), una plataforma robótica concebida específicamente para la rehabilitación de la marcha en etapas tempranas del desarrollo de niños con PC. El D2W es un sistema accionado por cables, con cinta de marcha, que aplica asistencia en el efector final a nivel de pelvis y tobillos. Supera limitaciones de plataformas rígidas y ofrece un soporte seguro y eficaz. Su arquitectura modular integra un sistema de control jerárquico adaptable a cada paciente, compuesto por: (i) un módulo de alto nivel para el reconocimiento de la intención del usuario y la modulación adaptativa de la asistencia, (ii) un módulo intermedio para la generación de patrones de marcha y la planificación de trayectorias, y (iii) un módulo de bajo nivel para el control en tiempo real de los módulos de pelvis, tobillos y tracción. En este documento se expone la motivación, el diseño, la implementación, la validación y las conclusiones del desarrollo de la plataforma. Se revisa el proceso de adquisición de la marcha en niños con PC y las limitaciones de las soluciones existentes; se detalla la arquitectura y validación técnica; se presentan tres generadores de patrones de marcha incluyendo modelos de regresión multivariable y redes LSTM para la sincronización de los módulos durante la rehabilitación; y se describen dos estrategias de control adaptativo para personalizar la fuerza de asistencia, la trayectoria y la velocidad de la marcha. La validación preliminar del D2W, realizada como estudio piloto en el Hospital Infantil Universitario Niño Jesús con tres niños con PC (3, 4 y 5 años; niveles IV, III y I de la GMFCS), consistió en 12 sesiones en cuatro semanas. Los resultados mostraron un aumento significativo de la dosis de marcha duración de las sesiones y número de pasos, así como de la velocidad y la longitud de zancada. La evaluación pre y post intervención confirmó estas mejoras, especialmente en la longitud del paso de la extremidad más afectada y en la simetría de la longitud de paso. Estos hallazgos, aunque preliminares, respaldan el potencial del D2W como solución robótica específica para la rehabilitación temprana de la marcha en niños con PC, capaz de ofrecer práctica intensiva, adaptada y segura en un periodo crítico de neuroplasticidad. El trabajo representa un avance hacia la integración de tecnologías de asistencia adaptativa en la práctica clínica pediátrica y refuerza la viabilidad de su aplicación en entornos reales. Los resultados justifican estudios de mayor escala y seguimiento longitudinal, y posicionan al D2W como una contribución relevante al progreso científico y tecnológico en rehabilitación infantil.