Design and testing of low-cost upper limb rehabilitation exoskeleton

Stroke is one of the most predominant causes of impairment in the world nowadays and rehabilitation therapy is crucial in helping the people affected regain mobility and their independence. Robot-aided therapy poses a promising alternative to conventional manual rehabilitation therapy, and exoskeleton technology, which is gaining more and more importance in research, aims to be a valid option to enhance the rehabilitation process. The cost of these devices, among other factors, however, still poses a barrier to their introduction to clinical use. The aim of this thesis work was to complete the design phase of an active 4-degree-of-freedom shoulder/elbow exoskeleton named KAIROS, assemble it, validate the design, and test the components and their correct functioning. KAIROS aims to be a low-cost alternative to AGREE, the previously developed exoskeleton by NearLab of Politecnico di Milano, by exploiting the 3D printing technology paradigm and featuring a Series Elastic Actuator. A kinematic assessment was done along with the algorithms for hardware and low-level control for future testing and validation. The integration of the KAIROS exoskeleton in the ROS environment, a powerful and flexible framework used in robotics for developing, controlling, and simulating robotic systems, was done with the aim of using different software available to perform motion planning, using MoveIt, and simulation, using Gazebo.

L'ictus è una delle cause di disabilità più diffuse al mondo e la terapia riabilitativa è fondamentale per aiutare le persone colpite a recuperare la mobilità e l'indipendenza. La terapia robotica rappresenta una promettente alternativa alla terapia riabilitativa manuale convenzionale e la tecnologia degli esoscheletri, che sta acquisendo sempre più importanza nella ricerca, si propone come una valida opzione per migliorare il processo di riabilitazione. Il costo di questi dispositivi, tra altri fattori, costituisce tuttavia ancora un ostacolo alla loro introduzione nell'uso clinico. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di completare la fase di progettazione di un esoscheletro attivo a 4 gradi di libertà per spalla/gomito denominato KAIROS, assemblarlo, validare il design e testare i componenti e il loro corretto funzionamento. KAIROS vuole essere un'alternativa a basso costo ad AGREE, l'esoscheletro precedentemente sviluppato da NearLab del Politecnico di Milano, sfruttando il paradigma della tecnologia di stampa 3D e caratterizzandosi per un attuatore elastico in serie. È stata effettuata una valutazione cinematica e sono stati sviluppati gli algoritmi per il controllo hardware e di basso livello per i futuri test e validazione. L'ictus è una delle cause di disabilità più diffuse al mondo e la terapia riabilitativa è fondamentale per aiutare le persone colpite a recuperare la mobilità e l'indipendenza. La terapia robotica rappresenta una promettente alternativa alla terapia riabilitativa manuale convenzionale e la tecnologia degli esoscheletri, che sta acquisendo sempre più importanza nella ricerca, si propone come una valida opzione per migliorare il processo di riabilitazione. Il costo di questi dispositivi, tra altri fattori, costituisce tuttavia ancora un ostacolo alla loro introduzione nell'uso clinico. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di completare la fase di progettazione di un esoscheletro attivo a 4 gradi di libertà per spalla/gomito denominato KAIROS, assemblarlo, validare il design e testare i componenti e il loro corretto funzionamento. KAIROS vuole essere un'alternativa a basso costo ad AGREE, l'esoscheletro precedentemente sviluppato da NearLab del Politecnico di Milano, sfruttando il paradigma della tecnologia di stampa 3D e caratterizzandosi per un attuatore elastico in serie. È stata effettuata una valutazione cinematica e sono stati sviluppati gli algoritmi per il controllo hardware e di basso livello per i futuri test e validazione. L'integrazione dell'esoscheletro KAIROS nell'ambiente ROS, un framework potente e flessibile utilizzato in robotica per lo sviluppo, il controllo e la simulazione di sistemi robotici, è stata effettuata con l'obiettivo di utilizzare diversi software disponibili per eseguire la pianificazione del movimento, utilizzando MoveIt, e la simulazione, utilizzando Gazebo.