Mechanical improvements and control characterization of the upper-limb exoskeleton for neural rehabilitation AGREE

Robotic exoskeletons represent the main novelty of the modern era of neuromuscular rehabilitation. They offer an innovative solution to the need for recovery for patients with cases of post-heart attack hemiparesis. The purpose of robotic therapy is to restore and improve the functions of the upper limb required to perform the activities of daily life. It has the advantage, compared to classical therapy, of providing intensive, repetitive, prolonged and task-oriented training. AGREE is a four degrees of freedom exoskeleton designed both to be used in hospitals and clinics and to be adapted to the assistive function in the home environment. It is a perfectly symmetrical structure for the rehabilitation of both limbs. The control system that was developed for this exoskeleton is a unique impedance controller, whose parameters can be set to realize different human-robot interaction modalities. The purpose of this project is to contribute to the correct functioning of AGREE both from a mechanical point of view and in the implementation of the various control methods that are necessary for therapy. This thesis describes the mechanical redesign of the humeral rotation joint, carried out employing a capstan-drive mechanism, in order to solve some problems related to the fluidity of movement (the new version of the joint we projected produces the movement of the articulation thanks to a system of cables). It then describes the experimental process of analysis of the control parameters space. The most suitable settings are identif ed in order to ensure the stability of movement for each joint of the exoskeleton and the sets of parameters necessary for the execution of the rehabilitation therapy in the various control modes are selected: Passive, Assistive (with different levels of assistance) and Resistive. At the end of the work, we demonstrate the validity of the obtained results and the consistency of the trajectory error, produced by the exoskeleton, with the purposes of the rehabilitation process.

Gli esoscheletri robotici rappresentano la novità principale dell’era moderna della riabilitazione neuromuscolare, offrendo una soluzione innovativa alla necessità di recupero per pazienti con casi di emiparesi post-infarto. Lo scopo della terapia riabilitativa robotica è di restaurare e migliorare le funzionalità dell’arto superiore richieste per eseguire le attività di vita quotidiana con il vantaggio, rispetto alla terapia classica, di fornire un allenamento intensivo, ripetitivo, prolugato e ‘task-oriented’. AGREE è un esoscheletro a sei gradi di libertà pensato sia per essere utilizzato in clinica che per essere adattato alla funzione assistiva in ambiente domestico. E’ una struttura perfettamente simmetrica per la riabilitazione di entrambi gli arti. Il sistema di controllo sviluppato per AGREE si basa su un unico controllore a impedenza, i cui parametri possono essere regolati al fine di implementare le varie possibili modalità di interazione uomo-robot. Lo scopo di questo progetto è di contribuire al corretto funzionamento di AGREE sia dal punto di vista meccanico che nella realizzazione delle varie modalità di controllo necessarie alla terapia. Questa tesi descrive la riprogettazione meccanica del giunto di rotazione omerale, realizzata per mezzo di un meccanismo "capstan-drive", al fine di risolvere alcune problematiche legate alla fluidità de movimento (il movimento di rotazione dell'articolazione è garantito da un sistema di cavi). Descrive poi il processo sperimentale di analisi dello spazio dei parametri di controllo. Vengono così individuate le impostazioni più adatte al fine di assicurare la stabilità di movimento per ciascun giunto dell’esoscheletro e vengono selezionati i set di parametri necessari per l’esecuzione della terapia riabilitativa nelle varie modalità di controllo: Passiva, Assistiva (con diversi livelli di assistenza) e Resistiva. Si dimostra la validità dei risultati ottenuti e la coerenza dell’andamento dell’errore di traiettoria prodotto dall’esoscheletro con le finalità del processo riabilitativo.