Kinematic synergies in upper limb daily life movements and their application for rehabilitation exoskeleton motion planning

Upper limb exoskeletons have been recently implemented in the rehabilitation for people with upper limb disabilities, which may be caused by strokes or spinal cord injuries. Even though this innovative technology can improve the way treatments are performed, few efforts have been made to manage a movement control based on kinematic synergies, so that it well matches the body characteristics. The purpose of this project was to individuate such kinematic synergies in daily life activities and attempt to verify if they could be the key for the motion planning of the robotic assistive device. Sixteen different individuals were asked to repeat six different motor skills which tried to recreate daily life activities. Those results were studied to try to identify kinematic synergies in the movements. The choice for the recognition approach went to the Principal Components Analysis (PCA), after extensive research on papers connected to the topic. Once the synergies were found, they were investigated to assess their spatial and temporal aspects. The last analysis performed was recreating the end effector position path using the principal components and compare it with the original one. The results obtained from this reconstruction step confirmed that the kinematic synergies could be used for the motion planning of the exoskeleton, as the trajectory of the end effector was comparable with the original one. It was also possible to observe that each principal component had a specific contribution to the creation of the trajectory.

Gli esoscheletri per gli arti superiori sono stati recentemente implementati nella riabilitazione di persone con disabilità agli arti superiori, che possono essere causate da ictus o infortuni alla spina dorsale. Anche se questa nuova tecnologia può migliorare il modo in cui vengono eseguiti i trattamenti, sono stati fatti pochi sforzi per gestire un controllo del movimento basato sulle sinergie cinematiche, in modo che si adatti bene alle caratteristiche del corpo. Lo scopo di questo progetto è stato quello di individuare tali sinergie cinematiche in attività svolte nella vita quotidiana e cercare di verificare se possano essere la chiave per la pianificazione del movimento del dispositivo robotico di assistenza. A sedici persone diverse è stato chiesto di ripetere sei diverse attività motorie che cercavano di ricreare dei movimenti fatti quotidianamente. I risultati sono stati studiati per cercare di identificare le sinergie cinematiche nelle attività. La scelta dell'approccio di riconoscimento è ricaduta sull'Analisi delle Componenti Principali (PCA), dopo un'ampia ricerca su articoli legati all'argomento. Una volta individuate le sinergie, queste sono state analizzate per valutarne gli aspetti spaziali e temporali. L'ultima indagine effettuata è stata quella di ricreare l’andamento della posizione dell'effettore finale utilizzando le componenti principali e confrontarla con quella originale. I risultati ottenuti da questa fase di ricostruzione hanno confermato che le sinergie cinematiche possono essere utilizzate per la pianificazione del movimento dell'esoscheletro, poiché la traiettoria effettuata dell'effettore finale è paragonabile a quella originale. È stato inoltre possibile osservare che ogni componente principale ha dato un contributo specifico alla creazione del percorso.