Design of a gravity-balancing wearable exoskeleton for elbow rehabilitation

Stroke is one of the primary healthcare issues in the world. It’s considered in such a way not only because it represents the cause of death for millions of people per year, but either because those who survive have to cope with chronic disability. The most systematic impairment after stroke consists of spasticity, hemiplegia or hemi-paresis which impair the sensory-motor functions of the patient. Patients are advised to undergo therapy sessions to improve their conditions, but other solutions can be provided, especially when the body’s part to be rehabilitated is the Upper-limb(UL). Robotic devices can be a terrific tool for restoring the upper limb or at least to support traditional therapy. A valuable option is given by exoskeleton robots: this kind of device has a similar structure to the human arm and is attached to the side of the human arm at multiple locations in order to finely control the upper-limb motion covering its whole Range of Motion(RoM). The goal of the present project was to provide the concept design of an exoskeleton for the rehabilitation of the elbow. Specifically, the conception of an Alignment system to passively follow the arm’s natural motion during the execution of the elbow flexion-extension was regarded. In fact, during the motion, several misalignments between human and robot joint rotation axes can occur, causing translational forces which load the skin and make the interaction uncomfortable or even painful. Afterwards, the portability of the system was considered to allow the exoskeleton to be used not only during clinical rehabilitation but also in everyday life. In order to do that, the total weight of the system should be reduced by adopting light materials and a small actuation. Therefore, it was fundamental to implement a Gravity compensation for the weight of the patient’s arm in order to reduce the torque required by the actuation. The design of these two systems led to the design of five Degrees of Freedom(DoF) exoskeleton. Finally, some ideas are proposed for the design of the Actuation and Transmission system in charge of the elbow DoF and to improve the solutions defined during the development of the present project.

L'ictus è una dei principali sanitari del mondo. È ritenuto tale non solo perché rappresenta la causa di morte di milioni di persone all'anno, ma anche perché chi sopravvive deve fare i conti con una disabilità cronica. Le patologie più frequenti sono spasticità, emiplegia, emiparesi: malattie che compromettono funzioni sensoriali e motorie. Ai pazienti viene consigliato di sottoporsi a sessioni di terapia per migliorare le loro condizioni, ma si possono trovare altre soluzioni, specie quando si tratta di riabilitare l'arto superiore. I dispositivi robotici possono essere un ottimo strumento per ripristinare l'arto superiore o almeno per supportare la terapia tradizionale. Un’importante alternativa è data dagli esoscheletri: un dispositivo con una struttura simile a quella del braccio umano montato lateralmente in più punti per controllare finemente il movimento del braccio, coprendo l'intero range di movimento (RoM). L'obiettivo del presente progetto è quello di fornire il concept design di un esoscheletro per la riabilitazione del gomito. In particolare, è stato ideato un sistema di allineamento che seguisse passivamente il movimento naturale del braccio durante l'esecuzione della flessione-estensione del gomito. Durante il movimento, infatti, possono verificarsi disallineamenti tra gli assi di rotazione delle articolazioni umane e del robot, causando forze traslazionali sulla pelle che rendono l'interazione scomoda o addirittura dolorosa. In seguito, è stata considerata la portabilità del sistema per consentire l'utilizzo dell'esoscheletro non solo durante la riabilitazione clinica, ma anche nella vita quotidiana. A tal fine, il peso totale del sistema deve essere ridotto adottando materiali leggeri e un piccolo attuatore. Pertanto, è stato fondamentale implementare una compensazione di gravità per il peso del braccio del paziente, al fine di ridurre la coppia richiesta dall'attuazione. Il design di questi due sistemi ha portato ad un esoscheletro con cinque gradi di libertà (DoF). Infine, vengono proposte alcune idee per il sistema di attuazione e trasmissione responsabile del DoF del gomito e per migliorare ciò proposto dal presente progetto.