Conceptual design and feasibility study of a novel upper limb exoskeleton

In the last years medical devices are becoming more and more important either for rehabilitation either to help people during daily life. For example upper limb devices are used to recover motor functions after strokes, lesions of the nervous system, traumatic brain injuries or spinal cord injuries. Moreover in case the patient suffers of muscular dystrophy or atrophy these devices can be useful in order to restore his capability of motion. Currently the most important groups of medical devices for upper limb are serial exoskeletons and end effector based devices. The existing solutions of these devices are usually fixed on some structures, that permit to release the patient from the mechanism's weight. Nevertheless it is not possible for the patient to wear the robot during daily life. The purpose of this thesis is to evaluate the feasibility of a wearable device for the upper limb. This device should not be fixed on a own structure, in order to be used during daily life, and not only in a fixed location. In order to accomplish this purpose great lightness is required, besides good precision. For this reason a novel parallel exoskeleton has been design. Because parallel robots suffer of small workspace an innovative solution has been proposed. This parallel exoskeleton is composed by two parallel robots, where the end effector of the first robot is a movable base for the second one. In this way the final workspace can be modified. Through this novel solution a double redundancy is created in the robot. The design of the exoskeleton has been based on an iterative method, in which the exoskeleton is defined and studied. The geometry of the device is chosen by optimizing the workspace of the robot, while redundancy resolution is based on the optimization of the dexterity. Finally a dynamic study is performed, through a cosimulation between Simulink and Adams.

Negli ultimi anni i dispositivi medici stanno diventando sempre più importanti sia per la riabilitazione sia per aiutare le persone durante la vita quotidiana. Per esempio dispositivi per l'arto superiore sono usati per recuperare funzioni motorie dopo ictus, lesioni del sistema nervoso, traumi cerebrali o danni alla spina dorsale. Inoltre nel caso in cui il paziente soffra di distrofia o atrofia muscolare questi dispositivi possono essere utili per ristabilire la sua capacità motoria. Attualmente i più importanti gruppi di dispositivi medici per arto superiore sono gli esoscheletri seriali e i dispositivi end effector based. Le soluzioni esistenti di questi dispositivi sono solitamente fissate su delle strutture, che permettono di scaricare il paziente dal peso del meccanismo. Ciononostante non è possibile per il paziente vestire il robot durante la vita quotidiana. Lo scopo di questa tesi è la valutazione della fattibilità di un dispositivo indossabile per l'arto superiore. Questo dispositivo non dovrebbe essere fisso su una struttura propria, in modo da essere usato durante la quotidianità e non solo in una posizione fissa. Per assolvere a questo scopo è richiesta grande leggerezza, oltre che buona precisione. Per questa ragione è stato progettato un innovativo esoscheletro a cinematica parallela. Poichè i robot paralleli sono caratterizzati da un piccolo spazio di lavoro una soluzione innovativa è stata proposta. Questo esoscheletro è composto da due robot paralleli, dove l'end effector del primo robot è una base mobile per il secondo. In questo modo lo spazio di lavoro finale può essere modificato. Attraverso questa nuova soluzione una doppia ridondanza è creata nella cinematica del robot. Il progetto dell'esoscheletro è stato basato su un metodo iterativo, nel quale l'esoscheletro è definito e studiato. La geometria del dispositivo è scelta ottimizzando lo spazio di lavoro, mentre la risoluzione della ridondanza è basata sull'ottimizzazione della destrezza. Infine è stato svolto uno studio dinamico, attraverso una cosimulazione tra Simulink e Adams.