Design and development of a compliant elbow effort-compensation device

The use of assistive technologies in industrial environments to improve human ergonomics and comfort in repetitive and high effort tasks has increased considerably in the last decade. Predominantly, the goal is to provide additional physical support through lightweight and wearable devices, without posing major constraints to the human body movements. Towards achieving this objective, this thesis introduces design and control of an assistive device for the elbow joint. The contribution of the thesis is classified into two steps. Part I contributions cover the design and its overall validation through classical control techniques. To begin with, the proposed assistive device is easily wearable, lightweight, and cable-driven using a series elastic actuation principle implemented by an endless shape elastic bungee element. This type of elastic element is selected due to its intrinsic damping, and compliant features similar to human muscles, which provides mechanical filtering against dynamic uncertainties such as impulsive forces, and oscillated movements because of possible controller issues. Furthermore, a spool system is designed targeting to maximize the transmission of the generated elastic force to the wearer while avoiding multiple coiling for the cable wrap/release operation. The design parameters of the device are selected through design and optimization studies. The manufactured actuator's performance is validated on a rigid link under position and force control modes. To demonstrate the effectiveness of the elastic element, actuator validation tests were conducted with and without bungee. The results show that while the bungee-integrated setup can transfer the generated elastic force to the link without oscillation at different frequency movements (0.05-0.16 Hz), the bungee-excluded setup yields unstable movements under the same control gains, producing 50.74% more vibrations detected through FFT analysis. In addition, to test the system under aggressive conditions, impacts were applied to it, and the results indicate that the damping ratio index of the bungee incorporated system is 56.14% more than that of without bungee case, demonstrating the intrinsic safe behavior of the mechanism. Finally, the device is assessed on 6 human subjects (different arm weights and dimensions) in a simulated industrial painting task with 5 minutes duration, with an average 〖22.3 〗^°/s elbow velocity under force control. The average effort reduction on biceps muscle among the subjects is measured 64.42 % with respect to the without assistance test. Part II contributions are presented to operate the device in more complex tasks. To clarify, the focus of part II studies is to design a reactive control strategy for loading and sudden unloading of an elbow effort-compensation device controlled in force. Through this control strategy, in addition to an individual's forearm weight, an external load can be detected and adaptively compensated via a feed-forward force reference, facilitating the execution of arbitrary movements by the wearer. In case of a sudden contact/load loss, a power-aware strategy is implemented to immediately eliminate the portion of external loading in the force reference. The adaptive compensation of the external loads is achieved through an electromyography interface. Instead, to react to sudden load releases, a power limit is set on the tendon, and continuously measured through an encoder and a load cell connected with the cable. Two sets of experiments are designed to test the proposed load-releasing method on a bench-top setup with 2 kg, and 3.9 kg, and a human subject with 0.5 and 1 kg. Next, the overall scenario including load-compensation and load-releasing are carried out on eight human subjects with 0.5 and 1 kg loads to evaluate the release and compensation time, and the effort reduction with respect to non-powered exoskeleton case. Results show that the average compensation/release time (payload) among subjects is measured as 0.98/0.91 seconds (0.5 kg), and 1/0.86 seconds (1 kg). The average effort reduction among the subjects are also reported as 66.4%, and 67.11% for 0.5 kg, and 1 kg, respectively.

Nell'ultimo decennio, l'utilizzo di tecnologie assistive in ambienti industriali è aumentato notevolmente allo scopo di migliorare l'ergonomia e il comfort degli operai, spesso coinvolti in attività monotone e ripetitive o di elevata intensità fisica, potenzialmente molto dannose per il sistema muscoloscheletrico. Per raggiungere questo obiettivo, è possibile utilizzare dispositivi leggeri e indossabili chiamati esoscheletri che forniscano supporto fisico agli utenti senza porre vincoli ai loro movimenti. A questo proposito, la presente tesi di Dottorato tratta la progettazione e il controllo di un dispositivo di assistenza/esoscheletro specifico per l'articolazione del gomito. Il lavoro si articola in due parti. La prima parte riguarda la progettazione del dispositivo e la sua validazione attraverso classiche tecniche di controllo. Il dispositivo di assistenza proposto è leggero e facilmente indossabile, si può azionare tramite un cavo utilizzando un principio di attivazione elastica in serie implementato da un bungee (elemento elastico). Questo tipo di elemento elastico è selezionato per il suo smorzamento intrinseco e per le caratteristiche di complianza simili a quelle dei muscoli umani, i quali forniscono un filtraggio meccanico contro incertezze dinamiche come forze impulsive e movimenti oscillatori, potenzialmente causate da problemi del controllore. Inoltre, è stato progettato un sistema di pulegge mirato a massimizzare la trasmissione della forza elastica generata a chi lo indossa evitando l'avvolgimento multiplo durante l'operazione di avvolgimento/rilascio del cavo. I parametri di progettazione del dispositivo sono stati selezionati attraverso studi di progettazione e ottimizzazione. Le prestazioni dell'attuatore sono state convalidate su un collegamento rigido in due modalità di controllo: posizione e forza. Per dimostrare l'efficacia dell'elemento elastico, sono stati condotti test di validazione dell'attuatore con e senza bungee. I risultati mostrano che mentre la configurazione con bungee integrato può trasferire la forza elastica generata al collegamento senza oscillazioni a diverse frequenze di movimento (0.05-0.16 Hz), la configurazione senza bungee produce movimenti instabili con gli stessi guadagni di controllo, producendo il 50.74 % di vibrazioni in più, rilevate tramite l'analisi FFT. Per testare il sistema in condizioni estreme, sono stati applicati degli impatti. I risultati indicano che l'indice del rapporto di smorzamento del sistema con bungee integrato è del 56.14% in più rispetto a quello senza, a dimostrazione del comportamento intrinsecamente sicuro del meccanismo. Infine, il dispositivo è stato testato su 6 soggetti umani (con diverso peso corporeo e dimensioni del braccio) in un'attività di verniciatura industriale simulata della durata di 5 minuti, con una velocità media del gomito di 〖22.3 〗^°/s sotto controllo di forza. Una riduzione media del del 64.42 % è stata riscontratata per lo sforzo del muscolo bicipite tra i soggetti testati rispetto al caso senza assistenza. La seconda parte della tesi riguarda gli studi effettuati per utilizzare il dispositivo in attività complesse. Nello specifico, l'obiettivo è progettare una strategia di controllo reattivo per il carico e scarico improvviso del dispositivo proposto, il cui obiettivo è la compensazione dello sforzo del gomito, quando controllato in forza. Attraverso questa strategia di controllo, oltre al peso dell'avambraccio di un individuo, è possibile rilevare un carico esterno e compensarlo in modo adattativo tramite un riferimento di forza diretto, facilitando l'esecuzione di movimenti arbitrari da parte di chi lo indossa. In caso di improvvisa perdita di contatto/carico, viene implementata una strategia di rilevamento della potenza per eliminare immediatamente la porzione di carico esterno nel riferimento di forza. La compensazione adattativa dei carichi esterni è ottenuta attraverso un'interfaccia elettromiografica. Invece, per reagire a rilasci improvvisi di carico, viene impostato un limite di potenza sul tendine, misurato in continuo tramite un encoder e una cella di carico collegata al cavo. Due serie di esperimenti sono stati svolti per testare il metodo di rilascio del carico proposto tramite un sistema da banco con 2 kg e 3.9 kg e un soggetto umano con 0.5 e 1 kg alla mano. Successivamente, lo scenario complessivo che include la compensazione del carico e il rilascio del carico è stato eseguito su 8 soggetti umani con carichi da 0.5 e 1 kg per valutare il tempo di rilascio e compensazione e riduzione dello sforzo rispetto al caso di dispositivo non alimentato. I risultati mostrano che il tempo medio di compensazione/rilascio (carico utile) tra i soggetti è pari a 0.98/0.91 secondi (0.5 kg) e 1/0.86 secondi (1 kg). La riduzione media dello sforzo tra i soggetti è riportata rispettivamente come 66.4% e 67.11% per 0.5 kg e 1 kg.