ROGER: robotic garment exosuit for upper limb rehabilitation and assistance

Upper limb motor disability severely impacts people's ability to conduct activities of daily living (ADLs). When considering daily assistance, soft robotic wearable devices, also referred to as exosuits, are emerging as promising thanks to their lightweight, portability, comfort, safety, low encumbrance, and low cost. However, research is still preliminary and few robotic devices are currently used in home-based settings. Reducing the device's complexity and cost and improving robustness represent the first step in promoting industrialization and adoption. This could be achieved by reducing the number of sensors used in the device and relying on more robust model-based controllers. This thesis aims to design, develop, and test a cable-driven exosuit for shoulder elevation and elbow flexion assistance that does not need force sensors to implement the assistive strategy. A questionnaire was administered to people with upper limb disability and professionals involved in the rehabilitation and assistance field to drive the design around users' needs. The exosuit ROGER was developed accordingly. A sensor-free model-based force controller was implemented and tested on a group of non-disabled participants, proving the feasibility of the sensorless approach in terms of force tracking accuracy. The exosuit effectively reduced the activity of the Anterior Deltoid, Trapezius, and Pectoralis without significantly affecting shoulder kinematics. Then, the model underlining the force controller was improved and its parameters were customized for each person in a group of non-disabled participants. Parameters customization proved unnecessary and the performance of the force controller remained stable with time, thus making the sensorless approach appropriate for real-life scenarios. Finally, six chronic post-stroke volunteers used ROGER during frontal-reaching movements, and hand-to-mouth movements improving their maximum shoulder flexion angle, while also increasing elbow extension against their abnormal flexor synergy. In conclusion, this thesis demonstrates the feasibility of a model-based sensorless force controller for an upper-limb cable-driven exosuit and validates its efficacy in delivering support to non-disabled and disabled users, underlining its potential in supporting ADLs in real-world applications.

La disabilità motoria degli arti superiori influisce gravemente sulla capacità delle persone di svolgere le attività di vita quotidiana. Nel contesto dell'assistenza quotidiana, i dispositivi indossabili robotici soft, noti anche come exosuit, stanno emergendo come una soluzione promettente grazie alla loro leggerezza, portabilità, comfort, sicurezza, basso ingombro e costi contenuti. Tuttavia, la ricerca in questo campo è ancora preliminare e pochi dispositivi robotici sono attualmente utilizzati in contesti domestici. Ridurre la complessità e il costo del dispositivo e migliorare la robustezza rappresentano il primo passo per promuovere l'industrializzazione e l'adozione di tali dispositivi a casa. Ciò potrebbe essere raggiunto riducendo il numero di sensori utilizzati nel dispositivo e affidandosi a controllori robusti basati su modelli. Questa tesi si propone di progettare, sviluppare e testare un exosuit attuato mediante cavi per l'assistenza all'elevazione della spalla e alla flessione del gomito che non necessita di sensori di forza per implementare la strategia assistiva. Un questionario è stato somministrato a persone con disabilità agli arti superiori e a professionisti coinvolti nel campo della riabilitazione e dell'assistenza, per centrare il design intorno alle esigenze degli utenti. L'esoscheletro ROGER è stato sviluppato in accordo. Un controllore di forza basato su modello privo di sensori è stato implementato e successivamente testato su un gruppo di partecipanti non disabili, dimostrando la fattibilità dell'approccio senza sensori in termini di precisione nel tracciamento della forza. L'exosuit ha ridotto efficacemente l'attività del deltoide anteriore, del trapezio e del pettorale senza influenzare significativamente la cinematica della spalla. Successivamente, il modello alla base del controllore di forza è stato migliorato e i suoi parametri sono stati personalizzati per ciascuna persona in un gruppo di partecipanti non disabili. La personalizzazione dei parametri si è rivelata superflua e le prestazioni del controllore di forza sono rimaste stabili nel tempo, rendendo così l'approccio senza sensori appropriato per scenari reali. Infine, sei volontari post-ictus cronici hanno utilizzato ROGER durante i movimenti di raggiungimento frontale e i movimenti di mano alla bocca, migliorando il loro angolo massimo di flessione della spalla e aumentando anche l'estensione del gomito contro la loro sinergia flessoria anormale. In conclusione, questa tesi dimostra la fattibilità di un controllore di forza senza sensori basato su modello per un esoscheletro a cavo per gli arti superiori e valida la sua efficacia nel fornire supporto a utenti non disabili e disabili, sottolineando il suo potenziale nel supportare le attività quotidiane nelle applicazioni reali.