Patient-cooperative mechatronic solutions for rehabilitative and assistive upper-limb exoskeletons

A significant amount of neurological patients affected by upper-limb motor impairment are severely compromised in their independence during Activities of Daily Living (ADLs), which worsens their quality of life. Therefore, regaining lost functionalities is a primary goal for neurological patients, and early-delivered rehabilitation treatment is crucial for effective motor recovery. Robotic exoskeletons have been demonstrated to become promising tools in this field, as they can be employed to foster motor learning in neurological patients as well as support motor functionalities in severely disabled people. This doctoral thesis aims to develop, implement and validate mechatronic solutions towards the realization of two upper-limb exoskeletons. In detail, the research focuses on patient-cooperative control strategies, based on human-robot interaction, that satisfy the wearer's needs, aiming to improve the usability and acceptability of the device. In summary, two application scenarios are addressed: i) the rehabilitation of neurological patients and ii) the assistance of severely disabled people. Regarding the rehabilitation scenario, the literature agrees that the goal of robots should be to induce motor plasticity in subjects undergoing rehabilitation treatment by providing them with repetitive, intensive, and task-oriented treatment. To this aim, a good collaboration between the impaired subject, the therapist, and the therapeutic device is fundamental to induce an effective motor recovery throughout the progress of the disease. To tackle these needs, I first developed a patient-cooperative mechatronic test-bed that employs a loadcell to detect the human-robot interaction torque during elbow flexion/extension movements. Based on the concept of compliant motion, the system exploits an impedance control scheme to regulate the trajectory-based assistance while it behaves compliantly against user-generated torques. Then, I validated the controller performances through EMG monitoring on 14 healthy participants, verifying its ability to induce different subjects' participation levels. At this stage, I replicated the mechatronic design of the elbow test-bed to develop the actuation units of a 4-DOF upper-limb exoskeleton for neurorehabilitation, namely the AGREE exoskeleton. The experimental results with healthy subjects showed that the robotic system could support the arm during reaching exercises while behaving soft and gentle to the user's voluntary muscular effort. Moreover, according to the training mode, the robot can promote different levels of assistance and allow different baseline kinematic errors encouraging users to provide a volitional contribution to fulfill the rehabilitation exercise. In the framework of continuity of care, the assistive scenario has been investigated to contrast the everyday experience of people affected by severe physical disability, which progressively lose their ability to walk, stand, and control their arm functions. In detail, I contributed to the development and clinical assessment of an upper-limb assistive device for muscular dystrophy patients - the BRIDGE exoskeleton - which is one of the first motorized arm exoskeletons that users can command with almost no residual force. In particular, I specifically developed two human-machine control interfaces based on a high-sensitive joystick and vocal control to permit the most compromised patients to continuously monitor and control the exoskeleton's motion. Finally, I participated in a pilot study with 14 muscular dystrophy patients to evaluate the exoskeleton efficacy and usability. Results demonstrated the effectiveness of the BRIDGE system in both externally-assessed and self-perceived scales. In conclusion, this doctoral thesis demonstrates that proper patient-cooperative mechatronic solutions for arm exoskeletons can support neurorehabilitation and continuity of care, potentially improving the quality of life of people affected by arm disabilities. However, the current acceptability of exoskeletons is still low and needs further sponsorship to therapists, physicians, and caregivers.

I pazienti neurologici affetti da disabilità all’arto superiore sono destinati ad una riduzione dell’indipendenza durante le attività di vita quotidiana (ADL) e, di conseguenza, ad un peggioramento della loro qualità di vita. Pertanto, il recupero delle loro funzionalità motorie è da sempre un obiettivo essenziale, e un trattamento riabilitativo precoce è altresì cruciale per un efficace recupero motorio. A tale riguardo, gli esoscheletri robotici sono tra gli strumenti più promettenti per la riabilitazione dell’arto superiore, in quanto possono essere utilizzati sia per stimolare il riapprendimento motorio in pazienti neurologici, che per supportare le funzionalità motorie di pazienti con disabilità più gravi. Questo progetto di dottorato è volto allo sviluppo, l’implementazione e la validazione di soluzioni meccatroniche per la realizzazione di due esoscheletri per arto superiore. In entrambi i casi, le soluzioni proposte sono basate sulla collaborazione uomo-robot e sono volte a soddisfare le esigenze di chi indossa il sistema robotico, così da migliorarne l’usabilità e l’accettabilità. In sintesi, vengono affrontati due scenari: i) la riabilitazione di pazienti neurologici e ii) l’assistenza di persone gravemente disabili. Per quanto concerne lo scenario riabilitativo, la letteratura scientifica propone di promuovere trattamenti intensivi basati su esercizi ripetitivi e orientati al movimento funzionale con il coinvolgimento del paziente. Infatti, una buona collaborazione tra paziente, terapista e sistema robotico è fondamentale per indurre un recupero motorio efficace durante il corso della malattia. A tal fine, ho dapprima sviluppato un sistema meccatronico per il movimento di flesso/estensione del gomito, che utilizza una cella di carico per misurare la coppia di interazione uomo-robot. Il controllore sviluppato, basato sul concetto di controllo “compliante”, utilizza una logica di controllo in impedenza per regolare l’assistenza al movimento, risultando cedevole rispetto all’azione volontaria del soggetto. Successivamente, attraverso il monitoraggio dell’attività mioelettrica su 14 utenti sani, ho validato il funzionamento del controllore verificandone la capacità ad indurre diversi livelli di partecipazione volontaria. A questo punto, ho replicato il design meccatronico del banco di prova per sviluppare le unità di attuazione dell’esoscheletro AGREE, un sistema robotico a quattro gradi di libertà concepito per la riabilitazione di pazienti post-ictus. I risultati sperimentali ottenuti dall’utilizzo con soggetti sani hanno mostrato che tale sistema robotico è in grado di sostenere il braccio dell’utente durante gli esercizi di raggiungimento di punti nello spazio, e si comporta in modo “morbido” e cedevole rispetto alla forza esercitata dall’utente. Inoltre, in base alla modalità di utilizzo, il robot promuove diversi livelli di assistenza, e consente un errore cinematico variabile incoraggiando l’utente a completare l’esercizio riabilitativo. Per quanto invece riguarda lo scenario di assistenza di persone gravemente disabili, con questa tesi, ho contribuito allo sviluppo e alla validazione clinica dell’esoscheletro BRIDGE, specificamente sviluppato per persone affette da distrofia muscolare. L’esoscheletro BRIDGE è uno dei primi esoscheletri motorizzati che può essere controllato anche quando l’utente non ha più forza residua nelle braccia. In particolare, ho sviluppato due interfacce di controllo uomo-macchina che permettono ai pazienti di controllare in modo continuo la posizione del braccio robotico. La prima è basata su un joystick ad alta sensibilità, la seconda è invece basata su un controllo vocale. Infine, ho partecipato allo studio clinico pilota in cui si è valutata l’efficacia e l’usabilità dell’esoscheletro con 14 pazienti affetti da distrofia muscolare. I risultati ne hanno confermato l’efficacia sia su una scala valutata esternamente dai terapisti, che su una scala di auto-percezione del paziente. In conclusione, con questa tesi di dottorato, si dimostra come le soluzioni meccatroniche proposte, basate sulla cooperazione tra paziente ed esoscheletro, possano supportare la neuroriabilitazione, la continuità di cura, e l’assistenza domestica. Tuttavia, ad oggi, l’accettabilità delle tecnologie robotiche è ancora molto limitata e necessità di ulteriori sponsorizzazioni da parte di terapisti, medici e caregivers.