Design of an active gravity compensation system for upper limb exoskeletons

Gravity compensation is the removal of the effect of gravity from an object, or part of it. It allows for effortless movements in presence of heavy loads. Gravity compensators find usage in the most disparate fields, from exoskeletons for industrial or biomedical purposes, to microgravity devices and robotics arm. This thesis proposes an innovative gravity compensation device, denoted as AGADE (Anti-Gravity Active Device for Exoskeletons). It has been designed to fit an existing upper limb assistive exoskeleton for individuals affected by neurodegenerative diseases. The device is able to completely remove gravity’s effect on upper limbs with efficiencies much higher than those provided by conventional motors, and flexibility of usage noticeably increased compared to standard passive compensators. The innovative kinetostatic configuration provides lightness and compactness of the mechanism, while granting compensation over a wide range of possible use case scenarios. Novel control logics have been developed to enhance the adaptability of the device and its compensation performances. The mechanical structure and control architecture take advantage of advance optimization techniques and numerical models that are discussed in detail. The project is the result of a collaboration between the Mechanical and Biomedical department of Politecnico di Milano.

Compensare la gravità equivale a rimuovere l’effetto della stessa, da un oggetto o parte di esso. Applicare questo fenomeno a livello degli arti superiori, permette di compiere movimenti a sforzo pressoché nullo in presenza di pesanti carichi. Tuttavia, la compensazione gravitazionale trova utilizzo nei campi più disparati, da esoscheletri industriali o biomedicali, a dispositivi di microgravità o persino in bracci robotici. Questa tesi propone un compensatore gravitazionale, denominato AGADE (Anti-Gravity Active Device for Exoskeletons). Quest’ultimo è stato progettato su misura per essere montato su un esoscheletro esistente, di tipo assistivo per arti superiori per individui affetti da patologie neurodegenerative. Il dispositivo è capace di rimuovere completamente l’effetto della gravità con efficienze molto superiori a motori convenzionali ed una flessibilità di utilizzo notevolmente incrementata rispetto compensatori standard passivi. L’innovativa configurazione cinetostatica fornisce leggerezza e compattezza al meccanismo, garantendo allo stesso tempo una compensazione completa in differenti scenari di utilizzo. Innovative logiche di controllo sono state sviluppate per permettere l’adattazione del dispositivo a differenti utenti e tipologie di movimenti. Il design della struttura meccanica e l’architettura di controllo sfruttano tecniche di ottimizzazione avanzate e modelli numerici discussi nel dettaglio all’interno del testo. Il progetto è il risultato della collaborazione tra i dipartimenti di Meccanica e Biomedica del Politecnico di Milano.