Design and implementation of a knee backdrivable joint combined with the functional electric stimulation (FES)

Lower limb robotic exoskeletons are widely employed to recover and rehabilitatethe gait capability in subjects affected by muscoskeletal diseases. In this sense, theproject proposed aims at designing and implementing a knee backdrivable joint to beintegrated with the functional electric stimulation (FES) technology to perform thepreliminarykicktestin a sitting subject. The latter consists in moving the inferiorportion of the leg (from the knee to the foot included) from0°up to a final one of90°.First, a mechanical model of the whole actuating system is developed, comprehensiveof both the actuator (Brushless DC motor and transmission) and the load (lowerportion of the leg in this case). Basing on it, the primary task of this work couldbe achieved, designing an impedance control architecture capable of adapting theactuator torque with respect to the one performed by the lower limb muscles combinedwith the FES action. The strategy consists in developing two nested control loop: theouter one regulates the load angular position, while the inner one, which modulates theoutput torque produced. The performances of this strategy are tested by exploitingthe MATLAB Simulink software environment, thus , verifying its capabilities in termsof robustness.The next step is the development of a versatile setup for a future hardware imple-mentation of the designed control structure: starting from the actuating systemsupporting structure, up to the electronic devices aimed at controlling the motion.The requirements to be satisfied focus particularly on the possibility of program-ming the microcontroller at high level directly uploading the Simulink block schemefirmware, allowing to design and easily test different control strategies for futureproject developments.The implementation phase consists in driving the motor byimplementing on the MCU a low level switching strategy based on the hall sensorsignals, to supply the proper phase of the DC brushless. An initial test is carriedout, entailing the rotation of the transmission output shaft of a prescribed angel, bymeasuring its angular position through the hall sensors.The results achieved shows that the control architecture developed in simulation iscapable of recreating three different impedance levels, evaluated by comparing theload angular position with respect to a reference one and computing the correspondingerror. The consequent adaption of the actuator action, according to the impedancetypology, lead to have a FES and leg muscles contribution more or less relevant interms of total output torque, modifying the final angular position.

Gli esoscheletri per gli arti inferiori trovano applicazione principalmente nel campo di riabilitazione e recupero della capacità motoria in soggetti affetti da malattie osteoarticolari. In questo ambito, il progetto proposto ha come scopo il design e l’implementazione di un giunto backdrivable per il ginocchio da integrare con la tecnologia di stimolazione funzionale elettrica (FES), al fine di completare la fase preliminare del “kicktest” in un individuo da seduto. Quest’ultimo consiste nel muovere la porzione inferiore della gamba (dal ginocchio al piede incluso) da 0° a 90°. Inizialmente, viene sviluppato un modello meccanico del sistema d’attuazione, il quale comprende sia l’attuatore stesso (Motore DC brushless e trasmissione) sia il carico (la parte inferiore della gamba in questo caso). Sulla base di questo modello, il primo obbiettivo di questo progetto può essere completato, sviluppando un’architettura di controllo in impedenza in grado di adattare il riferimento in coppia dell’attuatore rispetto a quella generata dai muscoli della gamba stimolati con la FES. La strategia consiste nello sviluppare due anelli in cascata: quello esterno controlla la posizione angolare del carico, mentre quello più interno regola la coppia totale generata dall’attuatore. Per testarne le performance è stato impiegato l’ambiente di simulazione software di MATLAB Simulink, verificandone anche la robustezza. Lo step successivo prevede lo sviluppo di un setup versatile per una futura implementazione hardware della struttura di controllo progettata: dalla struttura di supporto del sistema d’attuazione, fino alle componenti elettroniche per il controllo del movimento. Le specifiche considerate si focalizzano principalmente sulla possibilità di programmare il microcontrollore ad alto livello caricando direttamente il firmware dello schema a blocchi di Simulink, permettendo così di sviluppare e testare facilmente diverse strategie di controllo in ottica di possibili sviluppi futuri. La fase di implementazione consiste nel pilotare il motore attraverso una tecnica di switching delle fasi basata sulle misure dei sensori di hall integrati, per alimentare l’avvolgimento corretto del motore stesso. Il test iniziale svolto prevede la rotazione dell’asse della trasmissione di un certo angolo prestabilito, misurando sempre con i sensori di hall la posizione angolare. I risultati ottenuti mostrano quindi che la struttura di controllo sviluppata in simulazione è in grado di ricreare tre diversi livelli di impedenza, valutati confrontando la posizione angolare del carico rispetto ad un riferimento ideale e calcolando il corrispondente errore. Il conseguente adattamento dell’azione dell’attuatore in accorda con il tipo di impedenza, porta ad avere un maggiore o minore dei muscoli e della FES in termini to coppia generata, modificando di conseguenza la posizione angolare finale.