Strategia di comando e identificazione dei parametri critici per un ausilio motorio

Robotic devices designed for assistance and rehabilitation of patients with various levels of limbs' impairment are relevant to the medical field. Thanks to the proven effectiveness of their use and to the technological progresses in electronics and computational fields registered in the last two decades, the research's interest in developing these systems have notably increased. This thesis proposes a sensorless control strategy for an assistive robotic device, addressed to patients affected by impairment of the upper limb. The robot is an end-effector based device, with three active degrees of freedom and two passive ones. The active degrees of freedom are driven by brushless DC motors, controlled by three slave electronic boards and a master one. The device also features a spring-based balancing system, whose purpose is the partial compensation of the weight of the user's arm. The control strategy lies in maintaining the device in a state of almost perfect static equilibrium in any position, so that minimum forces are required for the patient to generate the desired motion. Since the system in affected by friction and dissipation, these terms need to be balanced, too. Big efforts have been put in identifying and modeling these effects, linking their behaviour to the system variables and parameters. In case of zero joint speed, the direction indeterminacy of friction torques is solved by compensating them alternatively in both directions. The control strategy has been implemented on the robotic device with good results, providing a simple, intuitive and effortless control experience to the user.

Particolare rilevanza hanno in ambito medicale tutti quei dispositivi robotici progettati a scopo assistivo e riabilitativo per pazienti affetti da vari livelli di deficit motorio agli arti. La provata efficacia del loro impiego ed i progressi tecnologici in campo elettronico-computazionale dell'ultimo ventennio hanno portato ad un crescente interesse nello sviluppo di questi sistemi da parte della ricerca scientifica ed ingegneristica. In questa tesi si propone una metodologia per il comando sensorless di un dispositivo robotico di ausilio, destinato a pazienti con deficit motorio dell'arto superiore. Il dispositivo oggetto di studio è un robot con architettura ad end-effector, dotato di tre gradi di libertà attivi e due passivi. I gradi di libertà attivi sono azionati da motori brushless a corrente continua, comandati da tre schede elettroniche slave ed una master. Nel dispositivo è anche presente un sistema di molle atto a compensare almeno parzialmente la forza peso dell'utilizzatore. Il metodo di comando prevede il mantenimento del dispositivo in uno stato di quasi perfetto equilibrio statico in ogni posizione, in modo che minime forze apportate dall'utilizzatore siano in grado di generare il movimento desiderato. Dovendo compensare anche attriti e dissipazioni di varia natura, molta attenzione è stata rivolta alla loro identificazione e modellazione, legandone gli andamenti ai parametri variabili del sistema. Per risolvere l'indeterminatezza della direzione delle coppie dissipative in caso di velocità dei giunti nulla, il metodo prevede la loro compensazione alternativamente in entrambe le direzioni. La metodologia di comando è stata implementata con buoni risultati sul dispositivo, ottenendo un controllo semplice, intuitivo e poco oneroso per l'utilizzatore.