Progettazione del sistema di attuazione per la compensazione delle forze gravitazionali in un esoscheletro semi-attivo di spalla

This thesis focuses on the design and optimization of an actuation system for gravitational force compensation in a semi-active shoulder exoskeleton. The main objective is to develop a mechatronic solution capable of reducing the load applied to the user’s upper limb, while ensuring high energy efficiency and safe human–machine interaction. To this end, an actuation system based on an electric motor, a ball screw transmission, and an elastic element has been studied and modeled. The work begins with a state-of-the-art analysis of shoulder exoskeletons, with particular attention to semi-active solutions and to the trade-off between backdrivability, dynamic performance, and energy efficiency. Subsequently, a dynamic model of the system has been developed in MATLAB/Simulink and validated through multibody simulations in MSC Adams. Based on this model, the actuation system has been designed, including preliminary selection of mechatronic components and definition of operational requirements. An optimization procedure has been developed to minimize energy consumption and mechanical loads, highlighting the dominant role of transmission efficiency in the overall system performance. Finally, experimental activities have been carried out for the characterization of elastic elements and for the validation of the system behavior, comparing experimental results with model predictions. The results demonstrate that the proposed approach enables a significant reduction of the active actuation effort, while ensuring adaptive and energy-efficient system behavior.

La presente tesi riguarda la progettazione e l’ottimizzazione del sistema di attuazione per la compensazione delle forze gravitazionali in un esoscheletro semi-attivo di spalla. L’obiettivo del lavoro è lo sviluppo di una soluzione meccatronica in grado di ridurre il carico gravante sull’arto superiore dell’utente, mantenendo al contempo elevati livelli di efficienza energetica e sicurezza nell’interazione uomo-macchina. A tal fine, è stato studiato e modellato un sistema di attuazione composto da motore elettrico, trasmissione vite–madrevite ed elemento elastico. Il lavoro si articola inizialmente in un’analisi dello stato dell’arte relativa agli esoscheletri di spalla, con particolare attenzione alle soluzioni semi-attive e ai compromessi tra backdrivability, prestazioni dinamiche ed efficienza energetica. Successivamente, è stato sviluppato un modello dinamico del sistema, implementato in ambiente MATLAB e validato tramite simulazioni multi-body in MSC Adams. Sulla base del modello sviluppato, è stata condotta la progettazione del sistema di attuazione, includendo la selezione preliminare dei componenti meccatronici e la definizione dei requisiti di funzionamento. È stata inoltre sviluppata una procedura di ottimizzazione finalizzata alla minimizzazione delle grandezze energetiche e delle sollecitazioni meccaniche, evidenziando il ruolo cruciale del rendimento della trasmissione nel determinare le prestazioni complessive del sistema. Infine, sono state svolte attività sperimentali per la caratterizzazione di elementi elastici e per la validazione del comportamento del sistema, confrontando i risultati ottenuti con le previsioni del modello. I risultati evidenziano come l’approccio proposto consenta di ottenere una significativa riduzione del contributo attivo richiesto all’attuatore, garantendo al contempo un comportamento adattativo ed efficiente del sistema.