Controllo di un dispositivo a cinematica parallela per la riabilitazione neuromotoria del piede

The PkAnkle prototype, developed at CNR-ITIA, is an external parallel kinematic robot, dedicated to ankle treatment. Its kinematic realizes a pure spherical joint, whose center of rotation is positioned so that physiological movement of the ankle is respected. This feature makes it particularly suitable for use in the neurorehabilitation field. In this context, the results achieved by translating or roto/translating robots that use force control logics based on the "Assist-As-Needed" principle on a given trajectory, provide the benchmark for active rehabilitation therapies. The main objective of this thesis was to develop innovative force control algorithms, able to translate this principle in the pure rotations space. We developped admittance control logics, able to regulate the quantity and quality of the interaction between patient and device, both with and without the aid of a reference rotary task. In addition, particular attention was given to ensuring safety during humans-robots-environment interaction. All control logics were designed at first with a theoretical approach and subsequently validated on a real-time interactive simulator. The control logics implementation on the robot has started with the design of the whole control software architecture and went on creating a modular, efficient and easily expandable code, with particular attention to the communication infrastructure optimization. In order to test the algorithms designed and investigate control software performances, some experimental tests were conducted.

Il prototipo PkAnkle, sviluppato presso CNR-ITIA, è un robot esterno a cinematica parallela dedicato al trattamento della caviglia. La sua cinematica realizza un giunto sferico puro, il cui centro di rotazione è posizionato in modo da rispettare il movimento fisiologico della caviglia. Tale caratteristica lo rende particolarmente adatto all’impiego in ambito neuroriabilitativo. In tale ambito, i risultati conseguiti da robot traslanti o roto-traslanti, dotati di algoritmi di controllo in forza basati sul principio detto "Assist-As-Needed" su una traiettoria assegnata, costituiscono il riferimento per le terapie attive. Questo lavoro di tesi si pone come principale obbiettivo di elaborare algoritmi di controllo in forza innovativi, in grado di tradurre tale principio nello spazio delle rotazioni pure. Sulla piattaforma PkAnkle sono state quindi sviluppate logiche di controllo in ammettenza, in grado di regolare quantità e qualità dell’interazione tra uomo e dispositivo, con e senza l’ausilio di un task rotativo di riferimento. Inoltre, è stata posta particolare attenzione nel garantire la sicurezza dell’interazione tra uomo, robot e ambiente. Tutte le logiche sono state progettate dapprima con un approccio teorico e successivamente validate mediante l’impiego di un simulatore interattivo real-time. L’implementazione del lavoro sulla macchina ha visto la progettazione integrale del software, partendo dall’architettura di base e realizzando un codice modulare, efficiente e facilmente espandibile, con particolare attenzione all’ottimizzazione dell’infrastruttura di comunicazione. Per validare gli algoritmi progettati e indagare le prestazioni del software di controllo, sono infine state condotte alcune prove sperimentali.