• Rendere l’utilizzo della macchina sicuro, con particolare attenzione all’in- terazione robot-uomo-ambiente.
1.6
Struttura della tesi
Descriveremo ora come i contenuti del lavoro sono ripartiti nei capitoli. 1. Introduzione: in questo capitolo viene introdotto l’ambito della neuro-
riabilitazione, facendo cenno alle fisiopatologie associate. Viene inoltre descritto lo stato dell’arte dei robot per la riabiliazione della caviglia e dei controlli impiegati in campo riabilitativo. Vengono inoltre introdotti gli scopi del progetto e descritti gli obbiettivi del lavoro di tesi.
2. PkAnkle: in questo capitolo viene introdotto il prototipo PkAnkle; vengono descritte le caratteristiche generali, i principali componenti, i protocolli di comunicazione e in generale lo stato del robot ad inizio lavoro. 3. Algoritmi di controllo: in questo capitolo viene sviluppata la parte
di progettazione teorica degli algoritmi di controllo. In primo luogo viene ricostruita la cinematica e alcuni strumenti associati al controllo di posizione. In seguito vengono descritti i controlli in ammettenza. Le logiche a carattere innovativo vengono descritte nel dettaglio, ponendo l’attenzione sulle idee e sui singoli passaggi che hanno portato ad una soluzione del problema che rispettasse i requisiti formulati.
4. Simulazione: in questo capitolo viene descritta la validazione degli al- goritmi di controllo, specialmente quelli in ammettenza, attraverso la progettazione, realizzazione e l’utilizzo di un simulatore real-time interat- tivo. Viene descritta la struttura del simulatore creato e discussi i risultati di alcune campagne di simulazione.
5. Architettura del software di controllo: in questo capitolo vengono descritte le scelte progettuali effettuate per la progettazione dell’architet- tura software. Viene fornito un quadro dell’architettura di base e dell’in- frastruttura di comunicazione creata, grazie alle quali è stato possibile implementare tutti gli algoritmi e gli strumenti realizzati.
1.6. Struttura della tesi 16
6. Algoritmi speciali e analisi sensori: in questo capitolo vengono de- scritte alcune prove sperimentali eseguite per la caratterizzazione dei sensori. In seguito vengono descritti alcuni algoritmi sviluppati che uti- lizzano le informazioni ricavate sperimentalmente. Tali algoritmi sono fondamentali per il controllo della macchina ma non direttamente connessi al ciclo di controllo real-time principale.
7. Analisi sperimentale: in questo capitolo sono descritte le prove speri- mentali eseguite sul robot con l’obbiettivo di caratterizzare le prestazioni dei controlli in ammettenza. Vengono descritti i setup sperimentali e forniti i risultati ottenuti durante i test delle due logiche in ammettenza sviluppate.
8. Conclusioni e sviluppi futuri: in questo capitolo sono riassunti i risultati ottenuti durante il lavoro di tesi. Vengono inoltre indicati i prossimi step di sviluppo del lavoro e le possibili evoluzioni del progetto.
Capitolo 2
PkAnkle
2.1
Caratteristiche generali
(a) modello CAD di PkAnkle (b) PkAnkle
Figura 2.1: PkAnkle: modello e prototipo
PkAnkle (PKA) è un prototipo progettato e realizzato nei laboratori di CNR-ITIA, concepito per essere dedicato al trattamento del caviglia. Si tratta di un robot a cinematica parallela, da qui il nome "Parallel-Kinematic-Ankle", che realizza un giunto sferico ideale all’end-effector.
Come detto nel paragrafo 1.2, la principale problematica dei robot dedicati alla caviglia, risiede nella difficoltà di realizzare cinematiche che rispecchino il reale funzionamento dell’articolazione. Per capire i principali vantaggi del robot PKA, occorre scendere un po’ più nel dettaglio riguardo la modellazione della caviglia. Con riferimento alla Fig. 2.2, ul è definito asse di inversione ed
2.1. Caratteristiche generali 19
Figura 2.2: Modello della caviglia
eversione subtalare; uu invece è detto asse di dorsiflessione e plantaflessione tibiotarsiale. Un terzo asse uz idealmente allineato con la tibia, realizza la
rotazione tibiale interna ed esterna. Come spiegato in [22], è possibile introdurre un’ipotesi semplificativa che consiste nel modellare questi tre assi come incidenti in un punto, denominato come Of in Fig. 2.2. La principale caratteristica
del robot, descritta nel dettaglio nella sezione 3.2.1, è quella di realizzare un giunto puramente sferico il cui centro di rotazione è posizionato estremamente vicino a Of, tanto da poterli considerare coincidenti senza commettere errori
sostanziali. Come accennato nella sezione 1.2, questo accorgimento permette di movimentare la caviglia in modo sicuro ed ergonomico, generando la medesima attivazione muscolare che si osserva nel movimento libero.[22]
Per realizzare un giunto con queste caratteristiche occorre posizionare il centro di rotazione del end-effector tra malleolo mediale e laterale, mentre i meccanismi visti in 1.2, ad eccezione della piattaforma di Rutgers, posizionano il centro di rotazione sotto la pianta del piede. La soluzione è stata trovata prendendo ispirazione dalla cinematica dell’Agile-Eye[23] di Clèment M.Gosselin. Questo robot è stato progettato per realizzare un sistema di orientamento di precisione per dispositivi ottici, seguendo il principio che tutti gli assi di rotazione dei giunti debbano intersecarsi in un punto, il quale rimane fisso nello spazio per qualsiasi orientamento del robot, nei limiti del suo RoM.
In generale PKA si presenta come un robot solido e stabile, la struttura è disegnata per poter scaricare la maggior parte del carico senza richiedere
2.1. Caratteristiche generali 20
Figura 2.3: Agile-Eye di Clement M.Gosselin
Figura 2.4: Possibilità di regolazione piattaforma
eccessivo sforzo ai motori. Il medesimo risultato cinematico all’end-effector, può essere ottenuto con montaggi diversi del robot: è possibile ottenere che l’ingombro dei link sia concentrato sotto, sopra o lateralmente rispetto all’end- effector, per un totale di 8 montaggi differenti .
2.1. Caratteristiche generali 21
Figura 2.5: Montaggi del robot Agile-Eye a giunti coassiali
Le scelte progettuali fatte su PKA hanno permesso di sviluppare il robot interamente sotto il piede, limitando il più possibile di inserire ingombri nello spazio di lavoro della caviglia. Inoltre le geometria complessiva risulta scalabile a piacere senza che questo alteri la cinematica realizzata; è stato così possibile minimizzare le dimensioni del robot limitandone lo sviluppo in altezza, permet- tendone un impiego agevole ed ergonomico da impiedi, seduto e supino.(Fig. 2.4) La piattaforma che accoglie il piede è stata dimensionata seguendo le medie nazionali, e inserendo la regolazione dell’angolo che la pianta forma con l’oriz- zontale. Questo accorgimento, unito alla regolazione della seduta, permette una completa personalizzazione della posizione di partenza, sulla base delle esigenze del soggetto e della terapia.