Design and optimization of upper limb collaborative exoskeleton with gravity compensation by springs

In this master thesis, the goal is to design and optimize the kinematics of an assistive collaborative upper limb exoskeleton which exploits the use of springs for gravity compensation of the structure. The basic principles of gravity compensation techniques are presented, focusing on spring based applications. This document starts by outlining the fundamental concepts of zero free length theory and gravity compensation, presenting example applications of structures implementing these features. Key kinematic design points of such structures are identified, analyzed and optimized. Following the results, a simplified mechanical structure is step by step modeled in simulation environment, and the found solution is verified. Finally, a first conceptual prototype is modeled in CAD software, in order to verify the kinematic compatibility of the designed structure with the user.

In questa tesi magistrale, l’obiettivo principale è il design e l’ottimizzazione cinematica di un esoscheletro collaborativo di assistenza per gli arti superiori, che utilizza molle per la compensazione della gravità. Vengono affrontati i principi fondamentali delle tecniche di compensazione della gravità, con un focus particolare sulle applicazioni basate sull’uso di molle. Il documento inizia descrivendo i concetti fondamentali della teoria della molla ideale e della compensazione della gravità, presentando esempi di strutture che implementano queste caratteristiche. I principali aspetti progettuali sono stati identificati, analizzati e ottimizzati. Sulla base di questi risultati, è stata modellata una struttura meccanica semplificata in ambiente di simulazione, verificando la soluzione ottenuta. Infine, è stato creato un primo prototipo in software CAD, al fine di verificare la compatibilità cinematica della struttura progettata con l’utente.