Mechanical and sensing design of a wearable cost-effective technology for upper limb muscles activation

Cerebral stroke is a severe neurological disorder that occurs due to rapid interruption of blood flow in the brain. The incidence of this condition increases every year, making it the second leading cause of death and the third major cause of disability worldwide. The consequences of a stroke can vary widely, but one of the most common manifesta tions is hemiparesis, a condition that affects mobility and muscle strength. In the field of post-stroke rehabilitation, the adoption of robotic technologies designed to stimulate neuroplasticity and provide real-time feedback to the therapist has paved the way for a new frontier of care in home-based contexts, reducing the burden on hospital facilities and leading to important advances. This context shows a huge potential for improvement, but is not exempt from significant challenges that include improving the reliability and robustness, reducing costs and optimizing portability of the therapy devices, such that they can be used in the comfort of one’s own home, enhancing patient autonomy and facilitating motor recovery in a more efficient and accessible manner. To achieve these objectives, this project is divided into two lines of research: on the one hand, the design of an exoskeletal structure that is ergonomic, lightweight, customizable and cost-effective; on the other one, the integration of innovative sensors, adhesive and based on a piezoresis tive material, capable of sensing the muscular activity of the upper limb and controlling the robotic device according to the patient’s movements, by implementing onset detection methods. Such a device overcomes some of the limitations of existing solutions by intro ducing a dynamic compliance mechanism and a gravity compensation system that can provide high performance at a low cost. The results yet obtained, demonstrate the fea sibility of a promising and poorly explored pathway to reach the goals mentioned above, providing a solid basis for future developments in terms of both mechanical design and sensory integration.

L’ictus cerebrale è una grave patologia neurologica che si verifica a causa di un’improvvisa interruzione del flusso sanguigno nel cervello. L’incidenza di questa condizione aumenta ogni anno, rendendola la seconda causa di morte e la terza causa principale di disabil ità in tutto il mondo. Le conseguenze di un ictus possono variare notevolmente, ma una delle manifestazioni più comuni è l’emiparesi, una condizione che compromette la mobilità e la forza muscolare. Nel campo della riabilitazione post-ictus, l’adozione di tecnologie robotiche progettate per stimolare la neuroplasticità e fornire un feedback in tempo reale al terapista ha aperto le porte a una nuova frontiera di cura in contesti domiciliari, riducendo il carico sulle strutture ospedaliere e portando a importanti pro gressi. Questo contesto presenta notevoli margini di miglioramento, ma non è esente da sfide significative che includono il miglioramento dell’affidabilità e della robustezza, la riduzione dei costi e l’ottimizzazione della portabilità dei dispositivi terapeutici, in modo che possano essere utilizzati nel comfort della propria casa, migliorando l’autonomia del paziente e facilitando il recupero motorio in modo più efficiente e accessibile. Per rag giungere questi obiettivi, il progetto è suddiviso in due linee di ricerca: da un lato, la progettazione di una struttura esoscheletrica il più possibile ergonomica, leggera, person alizzabile ed economica; dall’altro, l’integrazione di sensori innovativi, adesivi e basati su un materiale piezoresistivo, in grado di di percepire l’attività muscolare dell’arto supe riore e controllare il dispositivo robotico in funzione dei movimenti del paziente, grazie all’implementazione di metodi di onset detection. Tale dispositivo supera alcuni dei limiti delle soluzioni esistenti introducendo un meccanismo di compliance dinamico e un sistema di compensazione di gravità che garantisca prestazioni elevate a un costo contenuto. I risultati ottenuti finora dimostrano la percorribilità di una strada promettente e, al mo mento, poco esplorata per il raggiungimento degli scopi sopra citati, fornendo delle solide basi per lavori futuri di sviluppo sia dal punto di vista del design meccanico che da quello di integrazione sensoriale.