Development of an assistive rehabilitative robotic system

The main goal of this research is to design and build an assistive-rehabilitative end-effector based robot for home-use which is also suitable for wheelchair mounting, although there exists some exoskeleton architecture robots but their use are often restricted for clinical environment and are difficult to transport to patient home and the end-effector ones for home-use are mainly passive. For our application we need a robot with low joint speed therefore we need an efficient transmission system to reduce actuator speed, therefore the first work of this thesis was an innovative solution based on hydrostatic transmission to obtain good torque at the output with desired velocity on the joint. Hydrostatic drive provides high power to weight ratio with low speed at the output.Also primary and secondary parts in this system are connected with flexible hydraulic hoses which allow us to mount primary part on the base of robot and secondary part on the joint and connect them by hydraulic hoses that will result in reducing weight of actuator and consequently total weight of the robot.While results of modeling of hydrostatic drive show correct work of the the actuator but from experimental point of view finding commercial miniature components with desired characteristic was not possible so the only way was to design and build our specific components which was out of scope of this thesis so it has been decided to switch to commercial actuator and transmission systems. Development of the mathematical model of the system has been the preliminary and essential phase for the development of the new robotic device to be connected to the forearm in order to contribute to the movement of the hand. The model was built using Matlab/Simulink and in addition to the robotic device it also includes a simplified model of the human arm. In order to limit the computational load of the first prototype, the gleno-humeral joint is constrained to the wheelchair frame because the patient arm is not expected to exceed 90° degrees for flexion or adduction angles. The control system of the equipment has been modeled by means of Matlab code but was implemented to the hardware in C code. The device is an end-effector type robot, it can be mounted on a wheelchair slightly behind patient’s shoulder and is connected to the forearm .The robot can cooperate for the movement of hand within its physiological space except for extreme abduction and extension angles of the shoulder. It has five degrees of freedom, three active and two passive. The passive degrees of freedom prevent to overstress the gleno-humeral joint due to inaccurate positioning of the forearm on the device. In order to reduce size of the actuators and consequently to decrease weight and inertia of the whole device, two sets of spring-cable systems have been used. These systems are adjustable to better fit the energy requirement of different kind of patients. The robot has different operating modes. When the arm of the subject is completely passive, the device must provide the patient of the full help - energy and control - required for a pre-settled movement. As the subject’s condition improves it is possible to use another operative mode with which the machine help can be modulated to the patient ability: this approach allows monitoring and certifying the improvements. When a patient is enough strong the robot can also work against the subject action in order to strengthen the muscles. With another operating mode the subject can be partially or totally released by the gravity forces, so that a weak arm can recover the active ability to move the limb. The last working mode of the system, the more complex and still under development, will provide the patient of the help to perform a generic, not previously known task. This function will probably be the most effective for the ADL. The control of the system is based on the impedance control technique. The aim of this approach is to find desired dynamical relations between external force on end-effector and motion of the robot. This control is particularly useful for the active working modes of the device where the impedance parameters are adjusted according to patient’s needs of help from the machine.

L'obiettivo principale di questa ricerca è quello di progettare e costruire un robot assistivo-riabilitativo, di tipo end-effector, per l’uso domestico che è anchè adatto per il montaggio su sedia a rotelle. Sebbene esistano alcuni robot con architettura esoscheletro, il loro uso è spesso limitato all’ambito clinico e sono difficilmente trasportabili a casa del paziente e quelli di tipo end-effector per l’uso domestico sono prevalentemente passivi. Per la nostra applicazione abbiamo bisogno di un robot con bassa velocità di giunto quindi abbiamo bisogno di un sistema efficiente di trasmissione per ridurre la velocità dell'attuatore. Dunque, il primo lavoro di questa tesi è stato di proporre una soluzione innovativa basata sulla trasmissione idrostatica per ottenere una buona coppia in uscita con la velocità desiderata sul giunto. La trasmissione idrostatica offre potenza elevata in rapporto al peso con un basso numero di giri in uscita. I risultati della modellazione della trasmissione idrostatica mostrano un corretto lavoro dell'attuatore ma, dal punto di vista sperimentale, non è stato possibile trovare componenti commerciali miniaturizzati con la caratteristica desiderata. Quindi, l'unica soluzione consisteva nel progettare e costruire i nostri componenti specifici, cosa al di fuori dallo scopo di questa tesi e quindi si è deciso di utilizare attuatori e sistemi di trasmissione commerciali. Lo sviluppo del modello matematico del sistema è stata la fase preliminare essenziale per lo sviluppo del nuovo dispositivo robotico da collegare all'avambraccio al fine di contribuire al movimento della mano. Il modello è stato costruito utilizzando Matlab / Simulink e, in aggiunta al dispositivo robotico, esso comprende anche un modello semplificato del braccio umano. Per limitare il peso computazionale del primo prototipo, l'articolazione gleno-omerale è vincolata al telaio della carrozzina perché il braccio del paziente non dovrebbe superare i 90° gradi di flessione o di adduzione. Il sistema di controllo del dispositivo è stato modellato mediante codice Matlab ma è stato implementato per l'hardware in codice C. Il dispositivo è un robot di tipo end-effector che può essere montato su una sedia a rotelle leggermente dietro la spalla del paziente ed è collegato all'avambraccio. Il robot può assistere il movimento della mano all'interno del suo spazio fisiologico esclusa l’estrema abduzione ed estensione della spalla. Ha cinque gradi di libertà, tre attivi e due passivi. I gradi di libertà passivi permettono di non sovrasollecitare il giunto gleno-omerale a causa di posizionamenti imprecisi dell'avambraccio sul dispositivo. Al fine di ridurre le dimensioni degli attuatori e, di conseguenza, di diminuire il peso e l’inerzia dell'intero dispositivo, sono stati utilizzati due insiemi di sistemi molla-cavo. Questi sistemi sono regolabili per adattarsi ai vari tipi di pazienti. Il robot ha diverse modalità operative. Quando il braccio del soggetto è completamente passivo, il dispositivo deve fornire al paziente l'aiuto completo – di energia e di controllo – richiesto per un movimento pre-impostato. Con il miglioramento della condizione del soggetto è possibile utilizzare un'altra modalità operativa con la quale l'aiuto del robot può essere modulato in funzione della capacità del paziente: questo approccio consente il monitoraggio e la verifica dei miglioramenti. Quando un paziente è abbastanza forte il robot può anche lavorare contro l'azione del soggetto al fine di rafforzare i muscoli. In un altro modo di funzionamento, il soggetto può essere parzialmente o totalmente sgravato dalla forza di gravità, in modo che un braccio debole possa recuperare la capacità attiva di spostare l'arto. L'ultima modalità di lavoro del sistema, più complessa e ancora in sviluppo, fornirà al paziente l'aiuto per eseguire un compito generico, precedentemente non definito. Questa funzione sarà probabilmente la più efficace per l'ADL. Il controllo del sistema è basato sulla tecnica di controllo di impedenza. L'obiettivo di questo approccio è quello di trovare le relazioni dinamiche desiderate fra la forza esterna sull’end-effector e il movimento del robot. Questo controllo è particolarmente utile per le modalità di lavoro attive del dispositivo in cui i parametri di impedenza vengono regolati dalla macchina in base alle richeste del paziente.