Design and control of a PRSEA-based exoskeleton device for human knee joint rehabilitation

This thesis presents a knee exoskeleton built around a PRS-based series elastic actuator (PRSEA) that improves torque transparency while reducing structural complexity and mass. The neutral-surface spiral geometry and arm thickness of the PRS are optimized with a physics-based model under stress and manufacturability constraints to achieve a compact, lightweight transmission. An embedded controller is implemented on the BeagleBone Black with additional sensing, achieving a 500 Hz control rate. At the low level, we implement and compare two torque-control variants: (1) a proportional–derivative (PD) controller with feedforward and friction compensation; and (2) the same controller augmented with a disturbance observer (DOB) whose contribution is modulated by a leverage coefficient to improve low-velocity behavior. At the mid level, a Voigt-model impedance is applied. Passivity and safety are enforced via adaptive DOB gain regulation and a velocity-threshold time-domain passivity approach (TDPA), yielding stable contact transitions under delay and disturbances. The prototype attains a high torque-to-mass ratio relative to comparable SEA designs and exhibits robust, transparent performance in benchtop and human-involved tests. Notably, the proposed method reduces residual interaction torque to 0.62 N · m at 1Hz, outperforming conventional PD torque control, and delivers accurate impedance rendering during dynamic interaction tasks—highlighting its suitability for wearable assistance and rehabilitation.

Questa tesi presenta un esoscheletro per il ginocchio basato su un attuatore elastico in serie con molla a spirale (PRSEA), progettato per migliorare la trasparenza di coppia riducendo al contempo la complessità strutturale e la massa. La geometria a spirale della superficie neutra e lo spessore dei bracci della molla PRS sono ottimizzati mediante un modello fisico, rispettando i vincoli di sollecitazione e di fabbricabilità, al fine di ottenere una trasmissione compatta e leggera. Un controllore embedded è implementato sulla piattaforma BeagleBone Black con sensori aggiuntivi, raggiungendo una frequenza di controllo di 500 Hz. A livello basso vengono implementate e confrontate due varianti di controllo di coppia: (1) un controllore proporzionale-derivativo (PD) con feedforward e compensazione dell’attrito; (2) lo stesso controllore arricchito con un osservatore di disturbi (DOB), il cui contributo è modulato da un coefficiente di leva per migliorare il comportamento a bassa velocità. A livello intermedio viene applicato un modello di impedenza di tipo Voigt. La passività e la sicurezza sono garantite tramite una regolazione adattiva del guadagno del DOB e un approccio di passività nel dominio del tempo con soglia di velocità (TDPA), che assicura transizioni di contatto stabili in presenza di ritardi e disturbi. Il prototipo raggiunge un elevato rapporto coppia/massa rispetto ad altri SEA comparabili e mostra prestazioni robuste e trasparenti sia nei test su banco che in quelli con il coinvolgimento umano. In particolare, il metodo proposto riduce la coppia di interazione residua a 0.62 N · m a 1Hz, superando il controllo di coppia PD convenzionale, e garantisce una resa accurata dell’impedenza durante le interazioni dinamiche, evidenziando la sua idoneità per applicazioni di assistenza indossabile e riabilitazione.