Analysis and development of an electrical drive for an exoskeleton joint

This thesis describes the analysis, design, and implementation of a new control system for the electric drive of one joint of the AGREE exoskeleton. The device was developed at Politecnico di Milano for upper-limb rehabilitation in post-stroke patients. The main goal of this work is the development of a current and torque controller that are able to replace the current EsmaCat solution, which is no longer available on the market. At the same time, the new controller must guarantee high dynamic performance, stability, and transparency in human–robot interaction. After a review of the state of the art of upper-limb rehabilitation exoskeletons, with a focus on mechanical solutions, actuation technologies, and low-level control strategies, the mechatronic structure of the AGREE exoskeleton is presented. The system has four ac- tuated degrees of freedom, cable transmissions, and planetary gearboxes. It also includes integrated torque sensors and a passive gravity compensation system (Anti-Gravity Sys- tem). The main contribution of this thesis is the design of a Field Oriented Control (FOC) controller for Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSMs), together with a devel- opment procedure for this type of application. The controller is organized in a hierarchical structure, with an inner current loop running at 25 kHz and an outer torque loop running at 5 kHz. The PI tuning procedures are also described. The controllers was first validated using Matlab Simulink to analyze them in terms of response speed, disturbance rejection, and stability. After that, the system was imple- mented on a new STMicroelectronics hardware platform composed of an STM32 H533 microcontroller and an IHM08M1 board. The experimental results show that the new controller can meet the required frequency performance. It guarantees very good current performance and good torque performance.

Questa tesi descrive l’analisi, la progettazione e l’implementazione di un nuovo sistema di controllo per l’azionamento elettrico di un giunto dell’esoscheletro AGREE. Il dispositivo è stato sviluppato presso il Politecnico di Milano per la riabilitazione dell’arto superiore in pazientipost-ictus. L’obiettivoprincipalediquestolavoroèlosviluppodiuncontrolloredi corrente e di coppia in grado di sostituire l’attuale soluzione EsmaCat, non più disponibile sul mercato. Allo stesso tempo, il nuovo controllore deve garantire elevate prestazioni dinamiche, stabilità e trasparenza nell’interazione uomo–robot. Dopo una revisione dello stato dell’arte degli esoscheletri per la riabilitazione dell’arto su- periore, con particolare attenzione alle soluzioni meccaniche, alle tecnologie di attuazione e alle strategie di controllo a basso livello, viene presentata la struttura meccatronica dell’esoscheletro AGREE. Il sistema ha quattro gradi di libertà attuati, trasmissioni a cavo e riduttori epicicloidali. Include inoltre sensori di coppia integrati e un sistema passivo di compensazione della gravità (Anti-Gravity System). Il contributo principale di questa tesi è la progettazione di un controllore basato sul Field Oriented Control (FOC) per motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) e la definizione di una procedura di sviluppo per applicazioni di questo tipo. Il controllore è organizzato in una struttura gerarchica con un anello di corrente interno in esecuzione a 25 kHz e un anello di coppia esterno in esecuzione a 5 kHz. Vengono inoltre descritte le procedure di taratura dei controllori PI. I risultati sperimentali mostrano che il nuovo controllore è in grado di soddisfare le prestazioni in frequenza richieste. Garantisce ottime prestazioni in corrente e buone prestazioni in coppia.