Analysis and compensation of friction in the TWIN lower-limb exoskeleton : a model-based approach

Exoskeletons are increasingly popular devices in the field of motor rehabilitation. However, in order to have an effective clinical benefit, patient assistance should be provided based on the level of limb impairment and the exoskeleton should accommodate the patient's efforts. Therefore, the robot has to be as transparent and compliant as possible and achieve an optimal compromise between assistance and transparency. Transparent control is one of the biggest challenges for exoskeleton designers and there are several ways to compensate disturbances. This thesis project aims to create a friction compensation model to increase transparency in the joints of TWIN, a lower limb exoskeleton. After performing load tests on the joints of TWIN, which are the actuators of the entire structure, the torque contributions acting on the joints were analyzed and representative models of the friction torques were built. The models were then used to implement torque control within the joint. From the tests conducted employing these models and torque control, the joints appear to be transparent, with smooth and controlled motions. In addition, this study offers a preliminary design of an impedance control, which is necessary today in rehabilitation exoskeletons, laying the groundwork for the development of an active patient assistance modality that promotes patient intentionality and improves the rehabilitation process.

Gli esoscheletri sono dei device sempre più popolari nel campo della riabilitazione delle funzioni motorie. Per avere però un effettivo beneficio clinico, l’assistenza al paziente dovrebbe essere fornita sulla base del livello di compromissione dell’arto e l’esoscheletro dovrebbe assecondare gli sforzi del paziente. Il robot deve quindi essere il più trasparente e compliante possibile e deve raggiungere un compromesso ottimale tra assistenza e trasparenza. Un controllo in trasparenza è una delle maggiori sfide per chi progetta un esoscheletro ed esistono diverse modalità di compensazione dei disturbi. Questo progetto di tesi mira alla creazione di un modello di compensazione degli attriti per aumentare la trasparenza nei giunti di TWIN, un esoscheletro di arto inferiore. Dopo aver eseguito dei test di carico sui giunti di TWIN, che costituiscono gli attuatori dell’intera struttura, sono stati analizzati i contributi di coppia agenti sui giunti e sono stati creati dei modelli rappresentativi delle coppie dovute agli attriti. Questi modelli poi sono stati utilizzati per implementare all’interno del giunto un controllo in coppia. Dai test effettuati utilizzando questi modelli e il controllo in coppia, i giunti risultano trasparenti, con movimenti fluidi e controllati. Inoltre questo studio offre un design preliminare di un controllo in impedenza, necessario al giorno d’oggi negli esoscheletri riabilitativi, ponendo le basi per lo sviluppo di una modalità di assistenza attiva del paziente che promuova quindi l’intenzionalità di quest’ultimo e migliora il percorso riabilitativo.