Riassunto analitico
Nell’attuale scenario della riabilitazione post-operatoria il terapeuta e il paziente sono gli attori fondamentali per il recupero delle funzionalità essenziali. Il terapeuta valuta la mobilità residua e identifica gli esercizi necessari al recupero della stessa, mentre il paziente si deve impegnare nello svolgere gli esercizi rispettando le indicazioni date.
In tale contesto, l’utilizzo di robot collaborativi, o cobot, può migliorare l’efficienza dell’azione terapeutica. Grazie all'interazione tra cobot e arto del paziente, oltre ad oggettivare la mobilità dell’arto stesso, è possibile definire sia le traiettorie di movimento che la resistenza al moto in modo univoco. Allo stato dell’arte, risultano però assenti soluzioni che sfruttano queste potenzialità.
Il presente lavoro di tesi vuole pertanto proporre un approccio per la progettazione di soluzioni di robotica collaborativa per la riabilitazione di arti superiori. In particolare si propone l’analisi e l'ottimizzazione dello spazio operativo per identificare la configurazione cobot/paziente ottimale per lo svolgimento di determinati esercizi. In questo modo, a partire dalle indicazioni del terapeuta, il progettista può determinare la soluzione ottimale per l’afferraggio dell’arto e la posizione del cobot per uno svolgimento efficace dell’esercizio.
Per raggiungere l’obiettivo preposto, inizialmente si sono studiate le caratteristiche principali della cinematica dei cobot a sette gradi di libertà, individuando nella matrice Jacobiana e nell'indice di manipolabilità gli strumenti teorici per l’analisi dello spazio di lavoro.
Successivamente si è implementato il modello teorico considerando come caso studio il manipolatore Panda di Franka Emika, robot collaborativo a sette gradi di libertà, al quale è stata applicata un'analisi del workspace volta ad individuare le zone in cui il manipolatore si muove con maggiore facilità e massimizza la resistenza al movimento, ovvero dove l'indice di manipolabilità è più alto. All’interno dei suddetti volumi sono stati introdotti degli indici per la caratterizzazione delle traiettorie da eseguire. In tal modo è stato possibile capire dove andare a posizionare con precisione le traiettorie stesse, ovvero dove l'utente dovrà svolgere l'esercizio di riabilitazione. Infine sono stati progettati dei semplici End Effector da montare sulla flangia terminale del robot per eseguire dei test preliminari e verificare sperimentalmente che quanto proposto dall’analisi teorica trovi riscontro nella pratica.
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Abstract
In the current scenario of post-operative rehabilitation, the therapist and the patient are the key players for the recovery of essential functions. The therapist evaluates the residual mobility and identifies the exercises necessary for its recovery, while the patient must undertake to carry out the exercises respecting the given indications.
In this context, the use of collaborative robots, or cobots, can improve the efficiency of the therapeutic action. Thanks to the interaction between the cobot and the patient's limb, in addition to objectifying the mobility of the limb itself, it is possible to define both the trajectories of movement and the resistance to motion in a unique way. At the state of the art, however, there are no solutions that exploit this potential.
The present thesis therefore intends to propose an approach for the design of collaborative robotics solutions for the rehabilitation of the upper limbs. In particular, the analysis and optimization of the workspace is proposed to identify the optimal cobot/patient configuration for carrying out certain exercises. In this way, starting from the therapist's indications, the designer can determine the optimal solution for the gripping of the limb and the position of the cobot for an effective exercise.
To achieve the intended goal, the main characteristics of the kinematics of cobots with seven degrees of freedom were initially studied, identifying the theoretical tools for analyzing the workspace in the Jacobian matrix and in the manipulability index.
Subsequently, the theoretical model was implemented considering Franka Emika's Panda manipulator as a case study, a collaborative robot with seven degrees of freedom, to which a workspace analysis was applied to identify the areas in which the manipulator moves with greater ease and maximizes resistance to movement, i.e. where the manipulability index is highest. Within the aforementioned volumes, indices have been introduced for the characterization of the trajectories to be performed. In this way it was possible to understand where to go to precisely position the trajectories themselves, or where the user will have to carry out the rehabilitation exercise. Finally, simple End Effectors were designed to be mounted on the end flange of the robot to perform preliminary tests and experimentally verify that what is proposed by the theoretical analysis is reflected in practice.
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