From Bridge to Empatia : mechanical design and optimization of a 5-DOF actuated exoskeleton for the upper limb

Exoskeletons for medical rehabilitation and motion assistance have gained importance in research and development in the recent years, enhancing the daily life activities of individuals suffering from motion impairment. Depending on the type and level of motor disability, exoskeletons can be designed as active or passive devices, for both upper and lower limbs. BRIDGE (Behavioural Reaching Interfaces during Daily antiGravity Activities through upper limb Exoskeleton) is an exoskeleton designed for the upper limbs of people suffering from neuromuscular deseases, and it is characterized by a 5-DOFs kinematic structure: shoulder adduction/abduction, flexion/extension and internal rotation, in addition to elbow flexion/extension and forearm pronation/supination. Each DOF is actuated by an electrical drive embodied by a stepper motor, located nearby the DOF itself. A mounting frame is included in order to attach the exoskeleton to users’ wheelchairs. Moreover, the orthosis is equipped with a passive anti-gravity system which partially compensates the torque of the shoulder flexion/extension associated to the gravity effect. The aim of this work is to improve the mechanical design of BRIDGE, enhancing the device compactness and, thus, the comfort of the user. Modularity of elbow and forearm modules is introduced, to let users exploit their residual strength. The process of optimization has been led also by considering the knowledge acquired during trial tests that have been performed with volunteers affected by neuromuscular deseases. Indeed, the design is oriented towards industrialization in order to make the exoskeleton a saleable product. To that end, innovative technologies such as 3D-printing are considered in order to improve customization and reduce costs as well. The exoskeleton EMPATIA (EMpowerment del PAzienTe In cAsa) represents the result of this design process. A detailed comparison among the features of BRIDGE and EMPATIA is presented.

Negli ultimi anni, gli esoscheletri per la riabilitazione ed assistenza al movimento hanno assunto importanza nella ricerca e nello sviluppo, incrementando l’indipendenza di persone affette da disabilità motorie nelle attività giornaliere. A seconda della tipologia e del grado di disabilità, gli esoscheletri possono essere dispositivi attivi o passivi, per arti sia inferiori che superiori. BRIDGE (Behavioural Reaching Interfaces during Daily antiGravity Activities through upper limb Exoskeleton) è un esoscheletro progettato per gli arti superiori di persone affette da malattie neuromuscolari, caratterizzato da una struttura cinematica a 5 GDL: adduzione/abduzione, flessione/estensione e rotazione interna della spalla, oltre a flessione/estensione del gomito e pronazione/supinazione dell’avambraccio. Ogni GDL è attuato da un azionamento elettrico costituito da un motore passo-passo, posizionato in prossimità del GDL stesso. Una struttura di supporto è inclusa allo scopo di fissare l’esoscheletro alle carrozzine motorizzate degli utenti. Inoltre, è presente un sistema anti-gravitario passivo che compensi parzialmente la coppia richiesta alla flessione/estensione della spalla, dovuta all’effetto della gravità. Lo scopo di questo lavoro è migliorare la progettazione meccanica di BRIDGE, incrementando la compattezza del sistema e, quindi, il comfort per l’utente. Le sezioni legate a gomito ed avambraccio sono rese modulari, così che l’utente possa utilizzare le sue capacità residue. L’ottimizzazione è stata eseguita basandosi sulle conoscenze acquisite durante prove condotte con volontari affetti da malattie neuromuscolari. Infatti, la progettazione è orientata all’industrializzazione, con lo scopo di rendere l’esoscheletro un prodotto vendibile. A tal fine, tecnologie innovative come la stampa 3D sono considerate, con il duplice obiettivo di migliorare la personalizzazione e ridurre i costi. L’esoscheletro nominato EMPATIA (EMpowerment del PAzienTe In cAsa) è il risultato di questo processo di progettazione. Viene quindi presentato un confronto dettagliato tra le caratteristiche di BRIDGE ed EMPATIA.