Study of lower limb soft exoskeleton architectures and technologies

In the nearly six decades since researchers began to explore methods of creating them, exoskeletons have progressed from the stuff of science fiction to nearly commercialized products. While there are still many challenges associated with exoskeleton development that have yet to be perfected, the advances in the field have been enormous. This thesis presents a new concept of lower limb exoskeleton. The novel trend in the exoskeleton design is to build structures easily wearable, lightweight and not bulky. All these issues do enhance users’ favourable reactions in everyday life actions. Developing an exoskeleton meeting all these specifications is the objective of XoSoft European project, in which our work is involved. With an innovative approach, both smart materials and novel, soft and easily wearable sensors are involved in the project. In particular, the main idea behind soft sensors realization, is to integrate capacitive or resistive circuits into knitted fabric. In this way, wearing these sensors on knee or ankle is expected not to constraint the user’s movements. To understand how to exploit smart materials, it is necessary to study how movement is performed, when addressing daily life actions like walking, standing- up, sitting-down and climbing stairs. After that, according to the XoSoft modular approach, attention is given to the knee during the walking task. Energy efficiency issues and the desire of building an exoskeleton mimicking natural human walking stress-out that the best solution for a knee module is that exploiting passive or semi-passive elements. With the goal of minimizing the power that the exoskeleton wearer has to provide during walking, an optimization procedure is carried out. In order to project the architecture exploiting smart materials electro-rheological fluids are considered. To test the designed device, a knee prototype is designed.

Negli ultimi sessant’anni gli esoscheletri sono passati da essere pura fantascienza a veri e propri dispositivi commercializzabili, sperimentando sviluppi enormi. Questa tesi presenta un nuovo concetto di esoscheletro per gli arti inferiori. Il trend attuale è di realizzare strutture facilmente indossabili, leggere e non ingombranti. Si ritiene, infatti, che tutte queste caratteristiche genereranno reazioni positive rispetto all’impiego degli esoscheletri, nelle attività di tutti i giorni, Lo sviluppo di un dispositivo che rispecchi queste specifiche è l’obiettivo del progetto Europeo XoSoft, nel quale siamo coinvolti. Un aspetto innovativo si ha con l’impiego sia di materiali intelligenti sia di sensori di nuova concezione, non rigidi e facilmente indossabili. Considerando questi ultimi l’idea è quella di integrare circuiti capacitivi o resistivi all’interno di tessuti tessili. In questo modo, coloro che indossano il dispositivo non saranno soggetti a vincoli, legati alla presenza di sensori, nel compiere i loro movimenti. Per capire come sfruttare i materiali intelligenti è necessario analizzare come vengono compiute dall’utente le azioni più comuni, come camminare, alzarsi e sedersi dalla sedia e salire le scale. Una volta conclusa la caratterizzazione dei giunti, in base all’approccio modulare di XoSoft, si può spostare l’attenzione su uno studio più specifico. In particolare, la tesi analizza il ginocchio durante la fase di camminata. L’efficienza energetica e il desiderio di costruire un dispositivo capace di riprodurre la camminata naturale di un soggetto evidenziano come la soluzione migliore sia lo sfruttamento di elementi passivi o quasi-passivi. Infine, tramite un processo di ottimizzazione, si cerca di minimizzare, con l’impiego dell’esoscheletro, l’energia che l’utente deve fornire per camminare. Allo scopo di realizzare l’architettura, sfruttando materiali intelligenti, si dettagliano i fluidi elettro-reologici. Infine, per testare il dispositivo progettato, si realizza un prototipo di ginocchio.