Design optimization of a passive soft robotic device for neurorehabilitation

Nowadays, more and more people who underwent brain damages (i.e. after a stroke) are in need for rehabilitation, a necessary tool for restoration of their functional capacity. In order to meet this compelling need, robotic devices are employed not only to facilitate and accelerate rehabilitation, but also to achieve better results where previous therapies failed. The MARIONET is a simple mechanism able to exert customized torque profiles to the patient's limbs by adjusting the moment arm in order to obtain torque. Here, the MARIONET is expanded so as to obtain a portable system, completely passive and customizable to the needs and disabilities of the patient patient. Not only this device is thought to fit into a large variety of anthropometric dimensions, but also to achieve different tasks, such as assistance, error augmentation and gravity compensation. The MARIONET, thanks to its design, is able to exert a sinusoidal torque field; so, the possibility to "stack" a certain number of devices is taken into account so as to obtain more complex torque profiles; this concept is similar to a truncated Fourier Transform, with each mechanism acting as a basis function. The goal of this work is to optimize the design of the MARIONET by computing a set of optimal parameters which, in turn, could be used to customize the device according to the patient's need. The algorithm that was used to optimize the design was tested, in the end, so as to adjust the MARIONET in a way to achieve gravity compensation of the arm, a process that helps the patient during its rehabilitation path by balancing the weight of the arm itself.

Oggigiorno, sempre più persone che hanno subito danni cerebrali (i.e. ictus) necessitano di riabilitazione, uno strumento necessario per il paziente per recuperare le proprie funzionalità perdute. L'utilizzo di dispositivi robotici permette di venire incontro a questo impellente bisogno, non solo in modo da facilitare ed accelerare la riabilitazione del paziente ma anche per poter ottenere migliori risultati là dove le tecniche classiche falliscono. MARIONET è un semplice meccanismo in grado di produrre momenti personalizzati al paziente aggiustando il braccio del momento. In questo lavoro il concetto di MARIONET viene allargato in modo da ottenere un sistema portatile, completamente passivo e personalizzabile a seconda dei bisogni del paziente; non solo il dispositivo è in grado di adattarsi a diverse misure antropometriche, ma anche essere utilizzato per diversi compiti, come assistenza, aumento dell'errore e compensazione di gravità. Poichè MARIONET è in grado di esercitare un momento di tipo sinusoidale grazie al suo design, viene presa in considerazione la possibilità di "impilare" un certo numero di dispositivi in modo da ottenere momenti via via più complessi; il concetto è simile ad una Trasformata di Fourier troncata, con ogni meccanismo che agisce come una funzione di base. L'obiettivo di questo lavoro è l'ottimizzazione del design di MARIONET attraverso il calcolo di una serie di parametri; in questo modo è possibile adattare MARIONET ai diversi bisogni di ogni paziente. In ne, l'algoritmo utilizzato per l'ottimizzazione è testato, in particolare, in modo da simulare un dispositivo che sia in grado di compensare totalmente il peso del braccio del paziente, una tecnica che permette di aiutarlo nel suo percorso di riabilitazione.