3D upper extremity ExoNET: improved passive exoskeleton for gravity compensation post stroke motor rehabilitation

Although passive designs may appear simple, their lightweight, low cost, and user-friendly configuration make them highly practical for use beyond controlled laboratory settings. Minimal setup, easy donning and doffing, and low maintenance allow both patients and clinicians to operate on them with little supervision, promoting wider adoption in home and community environments. Furthermore, by lowering logistical and technical barriers, passive systems encourage consistent engagement in therapeutic and functional activities. The Shoulder ExoNET (Exoskeletal Network for Elastic Torque) is conceived to provide effective gravity compensation for the upper limb through a fully passive, elastic based mechanism. The theoretical model relies on a network of diagonal elastic elements acting as basis functions to generate torque–angle fields that counteract the effects of gravity. Unlike active robotic systems, which although capable of offering effective assistance, costly, and difficult to use outside controlled environments, Shoulder ExoNET offers a lightweight, modular, and ergonomic solution designed for real world rehabilitation and daily assistance. Building on an optimization framework that refines key design parameters, the system allows seamless translation from simulation to hardware, ensuring that parameters such as spring stiffness, anchor geometry, and routing are faithfully implemented in the physical prototype. The modular hardware architecture enables patient specific customization, targeting specific joint movements or workspace regions. Compared to previous versions limited to sagittal plane operation, 3D Shoulder ExoNET extends functionality to multi planar movements, maintaining stable gravity compensation and improved anatomical adaptability. These developments make this device a practical, wearable platform bridging the gap between laboratory prototypes and clinically applicable assistive technologies.

Sebbene i dispositivi passivi possano sembrare semplici, la loro struttura leggera, il basso costo e la facilità d’uso li rendono estremamente pratici anche al di fuori di contesti di laboratorio controllati. Il ridotto tempo di configurazione, la facilità di utilizzo e la scarsa necessità di manutenzione consentono a pazienti e clinici di utilizzare questi dispositivi con minima supervisione, portando la riabilitazione anche in ambienti domestici. Inoltre, la riduzione delle barriere logistiche e tecniche, promuove un coinvolgimento costante nelle attività terapeutiche e funzionali dei sistemi passivi. Shoulder ExoNET (Exoskeletal Network for Elastic Torque) punta ad offrire una compensazione efficace della gravità dell’arto superiore sul quale viene indossato attraverso un meccanismo completamente passivo basato su elementi elastici. Il modello teorico si fonda sulla creazione di una rete di elementi elastici in grado di generare sistemi di assistenza alla spalla per controbilanciare gli effetti della gravità. A differenza dei sistemi robotici attivi che, pur offrendo una assistenza efficace, risultano ingombranti, costosi e difficili da utilizzare al di fuori di ambienti controllati, Shoulder ExoNET rappresenta una soluzione leggera, modulare ed ergonomica, pensata per l'approccio riabilitativo e l’assistenza quotidiana. Partendo da un sistema di ottimizzazione che affina i principali parametri di progetto, siamo in grado di avere una traduzione diretta dal modello matematico all’hardware. Questa traslazione viene garantita in modo tale che parametri come la rigidezza degli attuatori elastici e il loro siano riprodotti fedelmente nel prototipo fisico. L’architettura modulare dell’esoscheletro consente inoltre la personalizzazione in base alle caratteristiche antropometriche dell’utente, permettendo di focalizzarsi su movimenti articolari o regioni specifiche dello spazio di lavoro. Rispetto alla versione precedente, limitata al piano sagittale, 3D Shoulder ExoNET estende la funzionalità dei movimenti, mantenendo una compensazione gravitazionale stabile e una migliore adattabilità anatomica. Questi miglioramenti rendono questo modello pratico e indossabile, capace di colmare in maniera pratica e diretta il divario tra prototipi di laboratorio e tecnologie assistive in ambito clinico.