Modular architecture for impedance control in exoskeletons

The dependency on proprietary hardware creates critical sustainability challenges for rehabilitation exoskeletons, an issue illustrated by the obsolescence of the AGREE project's core motor driver. This thesis confronts this vulnerability by designing, validating, and detailing the scaling methodology for a new modular control architecture built exclusively with standard industrial automation components. The proposed system employs a deterministic EtherCAT network and CiA 402-compliant drivers, structured within a three-layer control software architecture (Hardware Abstraction, Low-Level Control, and Mid-Level Control); these three layers are managed by a robust application state machine. A central feature in the design is the externalization of the 5 kHz torque loop to an open soft-PLC environment, where a Smith Predictor compensates for network-induced latency. The experimental validation on a 1-DOF joint confirms that the new architecture is a high performance replacement that matches, and in important metrics outperforms, the original AGREE system. In addition to the performance validation, the experiments showed critical dynamic insights, where the identification of negative effective damping helps to establish a mechanism to detect instability in high-stiffness configurations; moreover, a velocity-dependent effect was detected that causes the reversal of assistance level, where control modes assistive at low speeds become resistive at high velocities. Crucially, the thesis delivers a systematic methodology for scaling the architecture to multi-DOF systems, featuring quantitative resource analysis to prove network and CPU feasibility, and a structured, three-stage per-joint tuning strategy to manage coupled dynamics in the final assembly. In conclusion, this thesis delivers a complete hardware-software blueprint that solves a critical obsolescence crisis while establishing a new paradigm for the development of clinically translatable high-performance, sustainable robotic systems.

La dipendenza da hardware proprietario crea significative sfide di sostenibilità per gli esoscheletri riabilitativi, una problematica esemplificata dall'obsolescenza del driver motore principale del progetto AGREE. Questa tesi affronta tale vulnerabilità progettando, validando e dettagliando la metodologia di scalabilità per una nuova architettura di controllo modulare, costruita esclusivamente con componenti standard di automazione industriale. Il sistema proposto impiega una rete EtherCAT deterministica e driver conformi allo standard CiA 402, strutturati all'interno di un'architettura software di controllo a tre livelli (Astrazione Hardware, Controllo a Basso Livello e Controllo a Medio Livello); questi tre livelli sono gestiti da una robusta macchina a stati dell'applicazione. Una caratteristica centrale del progetto è l'esternalizzazione del loop di coppia a 5 kHz in un ambiente soft-PLC aperto, dove un Predittore di Smith compensa la latenza indotta dalla rete. La validazione sperimentale su un giunto a singolo grado di libertà (1-DOF) conferma che la nuova architettura è un sostituto ad alte prestazioni che eguaglia, e in metriche importanti supera, il sistema AGREE originale. Oltre alla validazione delle prestazioni, gli esperimenti hanno rivelato importanti dinamiche critiche, in cui l'identificazione di uno smorzamento effettivo negativo aiuta a stabilire un meccanismo per rilevare l'instabilità in configurazioni ad alta rigidezza; inoltre, è stato rilevato un effetto dipendente dalla velocità che causa l'inversione del livello di assistenza, dove modalità di controllo assistive a basse velocità diventano resistive ad alte velocità. Fondamentalmente, la tesi fornisce una metodologia sistematica per scalare l'architettura a sistemi a più gradi di libertà (multi-DOF), presentando un'analisi quantitativa delle risorse per dimostrare la fattibilità a livello di rete e di CPU, e una strategia strutturata di messa a punto per singolo giunto in tre fasi per gestire le dinamiche accoppiate nell'assemblaggio finale. In conclusione, questa tesi fornisce un progetto hardware-software completo che risolve una critica crisi di obsolescenza, stabilendo al contempo un nuovo paradigma per lo sviluppo di sistemi robotici sostenibili, ad alte prestazioni e clinicamente trasferibili.