Design of a parallel device for neurorehabilitation

The patient population needing physical rehabilitation in the upper extremity is con- stantly increasing. Robotic devices have the potential to address this problem, however most of the rehabilitation robots are technically advanced and mainly designed for clinical use. This paper presents the development of a low-cost device for upper-limb neurorehabil- itation designed also for home use. The device is based on a 2 degrees of freedom five-bar parallel kinematic manipulator. First, the kinematic optimization was performed where link lengths of the manipulator were defined in order to provide the optimum workspace. Then the mechanical structure of the manipulator was developed, and a 3D model of the prototype was generated. The control strategy was also targeted where both the low- level control that included the position and velocity controller as well as the admittance controller, and the high-level controller that included the passive, active and tunnel (path- constrained) controller, were developed and tested. Finally, an experimental procedure was performed in order to validate the accuracy of the position and force measurements recorded by the sensors as well as the correctness of the controllers.

La popolazione di pazienti che necessita di riabilitazione fisica nell'estremità superiore è in costante aumento. I dispositivi robot hanno il potenziale per affrontare questo problema, tuttavia la maggior parte dei robot di riabilitazione sono tecnicamente avanzati e progettati principalmente per l'uso clinico. Questo documento presenta lo sviluppo di un dispositivo a basso costo per la neuroriabilitazione degli arti superiori progettato anche per uso domestico. Il dispositivo si basa su un manipolatore cinematico parallelo a 5 bar con 2 gradi di libertà. Innanzitutto, è stata eseguita l'ottimizzazione cinematica in cui sono state definite le lunghezze dei collegamenti del manipolatore al fine di fornire lo spazio di lavoro ottimale. Quindi è stata sviluppata la struttura meccanica del manipolatore e è stato generato un modello 3D del prototipo. La strategia di controllo è stata anche mirata in cui sono stati sviluppati sia il controllo a basso livello che includeva il controller di posizione e velocità, sia il controller di ammissione, e il controller di alto livello che includeva il controller passivo, attivo e tunnel (percorso vincolato) e testato. Infine, è stata eseguita una procedura sperimentale per convalidare l'accuratezza delle misurazioni di posizione e forza registrate dai sensori, nonché la correttezza dei controller.