The construction and set up of the exoskeleton for the lower limbs for users with motor disabilities

The latest demographic surveys show a worrying increase in people with severe mobility problems. This is due to the confluence of several factors such as the global population, inadequate generational change, poor prevention and unhealthy lifestyles. In this context, a promising technology is the Exo-Skeletons (EXO) for the lower limbs, which consist of wearable robotic devices. These allow patients with severe motor impairment to regain upright stature or partially rehabilitate the basic functions of the step. Allowing patients to maintain upright posture for long periods without fatigue has been shown to reduce the incidence of embolism, muscle degeneration, kidney failure and mood disorders. During the following thesis project, I had the opportunity to address the main difficulties in the construction, assembly and validation of automated robots. Components are designed using Solidworks, choosing the most appropriate design to ensure performance, stability and durability. Elements such as motors and gearboxes were purchased and assembled by making 4 motorized joints, respectively two at the hips and two at the knees. All motors are equipped with magnetic encoders and torque sensors for control. To complete the construction, a number of additional elements had to be added to the basic metal support. These include covers to ensure the safety of the user and devices for housing additional sensors. The motion control system for artificial joints was developed. The ROS platform, Robotic Operative System, was used to develop and execute all necessary codes. The main part of the project is precisely the development and tuning of the control system parameters. Control has evolved from a simple torque control system to complete control in the angular position. All joints have been programmed to perform well defined angular profiles. Numerous tests have been carried out to validate the system and set the parameters. Bench tests, individual joints in the absence of load and the whole structure were implemented. The tests were performed on a platform specially designed to suspend the EXO. Load and coordination tests were carried out by moving two joints at a time via a bench-mounted feeder. The results obtained have proved the functioning of the device, its effectiveness and physiologicality.

Le ultime indagini demografiche evidenziano un aumento preoccupante delle persone con gravi problemi di mobilità. Ciò è dovuto alla confluenza di diversi fattori quali l’invec chiamento globale della popolazione, un ricambio generazionale inadeguato, una scarsa prevenzione e stili di vita non salutari. In questo contesto, una tecnologia promettente è rappresentata dagli esoscheletri (EXO) per gli arti inferiori, che consistono in dispositivi robotici indossabili. Questi consentono ai pazienti con grave compromissione motoria di riacquistare la statura eretta o di riabilitare parzialmente le funzioni di base del passo. È stato dimostrato che consentire ai pazienti di mantenere la statura eretta per lunghi periodi senza affaticarsi, riduce l'incidenza di embolie, degenerazioni muscolari, insufficienza renale e disturbi dell’umore. Durante il seguente progetto di tesi, ho avuto l'opportunità di affrontare le principali difficoltà nella costruzione, assemblaggio e validazione di robot automatizzati. I componenti sono stati progettati utilizzando Solidworks, scegliendo il design più appropriato per garantire prestazioni, stabilità e durata. Elementi quali motori e riduttori sono stati acquistati e montati realizzando 4 giunti motorizzati, rispettivamente due alle anche e due alle ginocchia. Tutti i motori sono dotati di encoder magnetici e sensori di coppia per il controllo. Per completare la costruzione è stato necessario realizzare una serie di elementi aggiuntivi al supporto metallico di base. Tra questi figurano coperture per garantire la sicurezza dell'utente e dispositivi per l'alloggiamento di sensori aggiuntivi. Successivamente è stato sviluppato il sistema di controllo del movimento per le articolazioni artificiali. È stata utilizzata la piattaforma ROS, Robotic Operative System, per sviluppare ed eseguire tutti i codici necessari. La parte principale del progetto consiste proprio nella messa a punto e nel tuning dei parametri del sistema di controllo. Il controllo si è evoluto da un semplice sistema a controllo di coppia fino ad un controllo completo nella posizione angolare. Tutti i giunti sono stati programmati per eseguire profili angolari ben definiti. Numerosi test sono stati realizzati per validare il sistema e settare i parametri. Sono state implementate prove al banco, sui singoli giunti in assenza di carico e all’intera struttura. I test sono stati eseguiti su una piattaforma appositamente progettata per sospendere l'EXO. Prove di carico e coordinazione sono state effettuate muovendo contemporaneamente due giunti per volta, tramite alimentatore da banco. I risultati ottenuti hanno comprovato il funzionamento del dispositivo, la sua efficacia e fisiologicità.