Innovative control techniques and strategies for robotics rehabilitation

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.