Design of a cable-driven upper limb exosuit : a simulation study

Motor ability is essential in determining the quality of life of any individual. However, aging, myopathologies, neuropathologies and trauma can lead to partial or total loss of the ability to move. For this reason, it is essential to research and develop new solutions to restore motor ability when impaired. Among the newest solutions, exosuits are emerging as promising in providing assistance with activities of daily living (ADLs). These devices are composed of soft fabric, or polymers, and work in parallel with the users’ muscles without relying on rigid links. The use of such materials and the lack of rigid links, make them lighter, easier to wear and to use with respect to conventional stiff exoskeletons. The goal of this thesis is to identify the best cable routing configuration for an upper limb cable-driven exosuit. In particular, the targeted movements was the flexion of the elbow. In order to carry out this activity, OpenSim which is a software that allows to run simulations of movements with musculoskeletal models, was used. Through this software different configurations for the cables were explored and evaluated.The optimization analysis led to the optimal design that minimizes the tension to be applied to the cables, while keeping to a minimum medium tension during movement and disparity between tensions of the cables. The resulting configuration is composed by two cables connected to the sides of the arm and forearm in a symmetrical way with respect to the longitudinal axis of the whole arm. Such configuration was then evaluated in simulation for different percentages of assistance in order to study its effects in terms of muscle activation, passive forces generated by the muscles, metabolic consumption of the muscles and joint reaction forces at the elbow. Furthermore, starting from the data collected in simulation and the current available components, a prototype of the actuation system was also dimensioned and improvements were suggested.

La capacità motoria è essenziale nel determinare la qualità della vita di ogni individuo. Tuttavia, invecchiamento, miopatologie, neuropatologie e traumi possono portare alla perdita parziale o totale della capacità di movimento. Per questo motivo è fondamentale ricercare e sviluppare nuove soluzioni per ripristinare la capacità motoria in caso di compromissione. Tra le soluzioni più recenti, gli exosuit stanno emergendo come promettenti nel fornire assistenza nelle attività della vita quotidiana. Questi dispositivi sono composti da tessuti morbidi, o polimeri, e lavorano in parallelo con i muscoli degli utenti senza fare affidamento su collegamenti rigidi. L'utilizzo di tali materiali e l'assenza di maglie rigide, li rendono più leggeri, più facili da indossare e da utilizzare rispetto ai tradizionali esoscheletri rigidi. L'obiettivo di questa tesi è identificare la migliore configurazione di instradamento dei cavi per un'esotuta guidata da cavi dell'arto superiore. In particolare, i movimenti mirati erano la flessione del gomito. Per svolgere questa attività è stato utilizzato OpenSim, un software che permette di eseguire simulazioni di movimenti con modelli muscoloscheletrici. Attraverso questo software sono state esplorate e valutate diverse configurazioni per i cavi. L'analisi di ottimizzazione ha portato a un design ottimale che minimizza tensione da applicare ai cavi, tensione media durante il movimento e disparità tra le tensioni dei cavi. La configurazione risultante è composta da due cavi collegati ai lati del braccio e dell'avambraccio in modo simmetrico rispetto all'asse longitudinale dell'intero braccio. Tale configurazione è stata poi valutata in simulazione per diverse percentuali di assistenza al fine di studiarne gli effetti in termini di attivazione muscolare, forze passive generate dai muscoli, consumo metabolico dei muscoli e forze di reazione articolari al gomito. Inoltre, partendo dai dati raccolti in simulazione e dai componenti attualmente disponibili, è stato anche dimensionato un prototipo del sistema di attuazione e sono stati suggeriti miglioramenti.