Innovative control techniques and strategies for robotics rehabilitation

The main topics of the Ph.D. project described in this thesis is the rehabilitation robotics, which is, nowadays, a very active field of research, as we are witnessing an increasing demand for rehabilitation therapies. The leading aim of the project is the development of novel control system solutions and tools, which allow and support the use of low-cost rehabilitation robot devices. So doing, it is possible to address main issues related to the provision of robotic therapies, i.e. to make them accessible to a grater number of users and to perform them directly in patients homes. Focused on these goals, the project has been divided in two macro activities: the development of novel solutions to increase backdrivibility in robotic and hapitc devices and the development of a stand-alone adaptive assistance control system. Both studies have paid special attention in containing device implementation's costs and complexity. In particular, the first study consists in the development of a sensor fusion algorithm, merging together position encoder measurements and acceleration signals from a low-cost MEMS accelerometer, together with a non-linear identification procedure, based on a RLS algorithm. The more accurate velocity information and more precise device parameter estimations, obtained thanks to the developed solutions, lead to the performance improvement (i.e. higher low-pass filter bandwidths and reduction of added noise) of two force-sensoreless tools DOB and RTOB/RFOB, useful to obtain accurate force control and better estimation of the human-robot interaction force, even in low-cost robotic devices. The second study deals with the development of an adaptive assistance control for rehabilitation purposes. Such control algorithm is based on an adaptive non-linear compliance controller, in which the adaptation of PD control parameters is driven by the patient's degree of impairments (assessed by the ability of patients to follow a moving target displayed in a screen). Effectiveness and benefits of proposed approaches have been evaluated performing significative experiments with real low-cost robotic device and actually performing some rehabilitation trials with patients.

Il tema principale del progetto di dottorato descritto in questa tesi é la robotica riabilitativa, che é, oggigiorno, un campo di ricerca molto attiva, dato che stiamo assistendo ad una crescente richiesta di terapie riabilitative. L'obiettivo principale del progetto é lo sviluppo di innovative soluzioni e strumenti nell'ambito dei sistemi di controllo, che permettono e promuovono l'uso di dispositivi robotici low-cost per la riabilitazione. Così facendo, é possibile far fronte a una delle principali problematiche legate alla fornitura di terapie robotiche, cioé renderle accessibili al maggior numero di persone di cui ne hanno bisogno, ed in particolare poterle eseguire direttamente nelle case dei pazienti. Focalizzandosi sulla questi obiettivi, il progetto é stato suddiviso in due macro attività: lo sviluppo di nuove soluzioni per aumentare la backdrivibility dei dispositivi aptici e robotici e lo sviluppo di un sistema di controllo ad assistenza adattativa stand-alone. Entrambi gli studi hanno dedicato particolare attenzione nel contenimento dei costi di realizzazione e della complessità del dispositivo. In particolare, il primo studio consiste nello sviluppo di un algoritmo di sensor fusion, che fonde insieme tradizionali misure di posizione fornite da encoder e segnali di accelerazione ottenute da accelerometri MEMS a basso costo, ed una procedura di identificazione non lineare, basato su un algoritmo RLS, per la stima dei principali parametri meccanici del dispositivo. Le più accurate informazioni di velocità e le più precise stime dei parametri del dispositivo, ottenute grazie alla soluzioni sviluppate, porta ad un miglioramento delle prestazioni (cioé aumento delle bande passanti dei filtri passa-basso e la riduzione del rumore sovrapposto) di due strumenti, DOB e RTOB/RFOB che, senza senza utilizzo di sensori di forza, permettono di ottenere un controllo di forza preciso e una migliore stima della forza di interazione uomo-robot, anche in dispositivi robotici a basso costo. Il secondo studio consiste nello sviluppo di un controllo ad assistenza adattativa per scopi riabilitativi. Tale algoritmo di controllo é basato su un controllore PD adattativo non lineare, in cui l'adattamento dei parametri del controllo é guidato dal grado di disabilità (valutato attraverso la capacità del paziente stesso di seguire un target in movimento visualizzato a schermo). Efficacia e benefici degli approcci proposti sono stati valutati mediante la realizzazione di specifici esperimenti con dispositivi robotici a basso costo reali ed eseguendo dei test clinici riabilitativi con dei veri pazienti.