Sviluppo del sistema di azionamento di un ausilio attivo per arto superiore

In recent years, the use of robotic devices in biomedical applications has become widespread. In particular, a number of arm assistive devices exists, featuring numerous shapes and functionalities. The project described in this paper proposes an economical, versatile and effective alternative to the arm assistive devices commercially available at the present time. This device has several strengths: a light and compact structure, designed to easily fit on a wheel chair and use its batteries for operation; the materials used are inexpensive and assembling is quick and easy; finally, the device has several operating modes, catering for a variety of requirements in this field. One mode of operation is "assisted physiotherapy", where the patient's arm is supported in following predefined trajectories in three dimensions, hence effectively acting as a rehabilitation assistant. Another mode allows the subject to move the device in real time: an inertial platform is placed on the patient's hand and enables him/her to move the entire device, controlling direction and speed with small hand movements. The inertial platform is as small as a coin and weighs just over a gram. This mode of operation allows the subject to perform daily tasks independently. In another interesting application, the device makes use of its internal measuring tools to establish progress: the patient is asked to perform a certain movement and his/her strength is measured whilst doing so. It follows that this device can also be used for diagnosis. This thesis describes the hardware and software systems behind the arm assistant; it also explains how the various components are interfaced, as well as showing the algorithms used and the results obtained. The implementation of Kalman's filter for all measures involved is particularly interesting, as well as the in-depth study of the micro controllers that operate the motor and the optimisation of their computational load. Sensor Fusion's algorithm was implemented for the roll, pitch and yaw inertial platform's angles. An efficient and versatile software program was written, which allows future developments of the modes of operation described above.

Negli ultimi anni è diventato sempre più frequente l'impiego di dispositivi robotici per applicazioni biomedicali. In particolare, per la mobilità dell'arto superiore esistono ausili con le più diverse geometrie e funzionalità. Il presente progetto si inserisce in questo contesto, proponendo un'alternativa economica, versatile ed efficace agli attuali dispositivi in commercio. Numerosi sono i punti di forza di questo dispositivo: la struttura è leggera e compatta, progettata per essere fissata su una carrozzina elettrica, le cui batterie possono alimentare il sistema di azionamento; i componenti con cui si è realizzato l'intero sistema sono particolarmente economici e l'assemblaggio risulta rapido e semplice; può infine lavorare secondo diverse modalità  di funzionamento, rispondendo così alle più svariate esigenze che si presentano in questo settore. Una prima modalità di funzionamento è quella per la fisioterapia assistita: il sistema è in grado di aiutare il braccio del paziente a percorrere delle traiettorie definite a priori nello spazio tridimensionale, diventando un efficiente strumento di ausilio alla riabilitazione. Una seconda modalità consente al paziente stesso di movimentare il dispositivo in tempo reale: posizionando sulla mano del paziente una piattaforma inerziale delle dimensioni di una moneta e di peso pari a poco più di un grammo, gli viene data la possibilità di muovere l'intero dispositivo secondo la propria volontà, controllando la direzione e la velocità con cui desidera muoversi attraverso un leggero movimento della mano. Tale modalità permette alla persona interessata di svolgere in piena autonomia le attività di vita quotidiana. Un'altra interessante applicazione si avvale dei sistemi di misura integrati all'interno dell'ausilio per definire il livello di degrado o di miglioramento delle capacità motorie del paziente: chiedendo al paziente di eseguire una determinata azione si può risalire alla forza che questi esercita nel farlo. In questo senso il dispositivo in esame si presenta anche come valido strumento per la diagnostica. Obiettivo di questa tesi è quello di descrivere il sistema Hardware e Software progettato per l'azionamento dell'ausilio, spiegare le modalità con cui sono state interfacciate le diverse periferiche, mostrare le logiche di controllo implementate e i risultati ottenuti. Nello svolgimento del lavoro sono stati particolarmente interessanti l'implementazione del filtro di Kalman per tutte le grandezze in gioco, lo studio approfondito dei microcontrollori che comandano i motori e le strategie di ottimizzazione del costo computazionale gravante sugli stessi. Si è inoltre implementato l'algoritmo di Sensor Fusion per gli angoli di rollio, beccheggio e imbardata del sistema di accelerometri e giroscopi della piattaforma inerziale. \'E stato quindi generato un Software efficiente e versatile, per consentire future estensioni delle modalità di funzionamento sopra elencate.