SEAnkle : an affordable one-degree-of-freedom sea-based robotic device for ankle rehabilitation

Stroke is the second leading cause of adult-onset disability and, as other neurological trauma, can lead to paralysis, loss of sensibility and involuntary contractions of the muscles. In order to recover the lost motor skills, intensive rehabilitation is required which involves long, repetitive and assisted exercises to recover neural plasticity and regenerate the lost connections. Robotic devices are, therefore, a valuable help to the physiotherapist, reducing the physical workload and increasing the measurement objectivity. The aim of this thesis is to design and produce a robotic device for ankle rehabilitation that is a good compromise between performance and cost of production. So, a one rotational degree of freedom device is designed, characterised by low lateral encumbrance and wide workspace, so to be comfortable for the patient, lightweight and therefore easily transportable. The device is provided with a Series Elastic Actuator (SEA). The elastic element between actuator and end-effector of the robot mitigates possible impacts, making the device safer than stiff actuator based ones, and generates a more natural tactile sensation between robots and patient. The elastic element consists of a beam bound at the extremities that wraps on a conveniently pro led cam in order to obtain a nonlinear stiffness curve. In this way it is possible to achieve a stiffness suffciently low to generate an adeguate feeling for the patient in the early instants of actuation and a very high stiffness at the end of the spring stroke so to reduce the impact of the components used for the following stiff transmission of motion. The theoretical procedure to obtain the desired stiffness curve is presented, alongside with the numerical results concerning the device objective of this thesis. Then, the design choices, the sizing of the components, the manufacturing processes to produce them, the assembly of the structure and a hint of some control logic are shown. Finally, tests were performed to analyse the actual behavior of the structure in terms of natural frequencies and compliant behavior. The results showed that the device behaves qualitatively as expected, however there is a numerical discrepancy between the experimental results and the theoretical model, mostly due to backlashes and friction forces, which can therefore be reduced by a more meticulous design and realisation of the device.

L'ictus è la seconda causa mondiale di disabilità in età adulta e, come per altri traumi neurologici, può portare a paralisi, perdita di sensibilità e contrazioni involontarie dei muscoli. Per recuperare le capacità motorie perse è necessaria un'intensa attività riabilitativa che prevede lunghi e ripetitivi esercizi assistiti volti a recuperare la plasticità neurale e a ricreare le connessioni perse. I dispositivi robotici rappresentano quindi un valido aiuto al fisioterapista, riducendone il carico di lavoro e aumentando l'oggettività delle misurazioni. Scopo di questa tesi è la progettazione e realizzazione di un dispositivo robotico per la riabilitazione della caviglia che sia un valido compromesso tra prestazioni e costo di produzione. Si è progettato dunque un dispositivo ad un grado di libertà rotazionale, dall'ingombro laterale ridotto, e con ampio volume di lavoro, così da risultare comodo per il paziente, leggero e dunque facilmente trasportabile. Il dispositivo presenta inoltre un attuatore cedevole (Series Elastic Actuator). L'elemento elastico tra attuatore ed end-effector del robot mitiga eventuali urti, rendendo il dispositivo più sicuro di altri ad attuazione rigida, e genera una più naturale sensazione tattile tra robot e paziente. L'elemento cedevole consiste in una trave vincolata agli estremi che si avvolge su una camma opportunamente profilata in modo da conseguire una curva di rigidezza non lineare. Si ottiene così una rigidezza sufficientemente bassa da generare una corretta sensazione per il paziente nei primi istanti di attuazione e una rigidezza molto elevata al fine corsa della molla così da ridurre l'urto dei componenti adibiti alla successiva trasmissione rigida del moto. Viene dunque esposta la procedura teorica per ottenere la curva caratteristica di rigidezza desiderata, corredata dai risultati numerici riguardanti il dispositivo oggetto di questa tesi. Si mostrano poi le scelte progettuali, il dimensionamento e i processi di fabbricazione dei componenti, l'assemblaggio della struttura e un accenno ad alcune logiche di controllo. Sono infi ne stati effettuati dei test per analizzare il reale comportamento della struttura in termini di frequenze proprie e comportamento elastico. I risultati mostrano che il dispositivo si comporta qualitativamente come aspettato, ma vi e una discrepanza numerica tra i risultati sperimentali e del modello teorico, dovuti per lo più a giochi e attriti, che dunque possono essere ridotti con una progettazione e una realizzazione del dispositivo più meticolosa.