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• transfemoral

English version:
Lower limb amputations are the cause of motor disabilities and may compromise quality of life and locomotion activities (such as stair ascent), especially for the elderly. Lower limb amputations can be caused by several factors, including pathologies of the peripheral vascular system, traumatic events, tumors, and/or congenital malformations/diseases. Among the different amputation’s levels, transfemoral amputation has the most severe consequences on the mobility and quality of life of the amputee. Despite great technological advances in the design of robotic lower limb prostheses, there is still no solution that can solve all the problems of energy and cognitive efficiency, and comfortable interaction with the user. Among the various mechatronic design alternatives for robotic transfemoral prostheses, underactuation has recently been proposed as an approach aimed at reducing mass and dimensions of a prosthetic device thanks to the use of a single motor and a mechanism to selectively distribute power at the two joints (knee joint and ankle joint). However, the feasibility of this approach in terms of (i) energy efficiency and (ii) control complexity is not clear. Therefore, this thesis work focused on the experimental verification of the performances of an underactuated robotic prosthesis for transfemoral amputees.
The objectives of the thesis work were: (i) to characterize the performance of the position and torque regulators of the ankle joint and the knee joint, (ii) to characterize the performance of the selective power distribution system, (iii) to develop a dynamic model of the actuator, and (iv) to overcome the mid-level controller’s limits while exploiting the mechatronic features of the prosthesis for walking tasks.
In particular, the low-level control system (i.e., the position and torque regulators) was characterized through bench tests aimed at evaluating the step responses, frequency responses, and the ability to follow physiological position trajectories of walking at different speeds. For the selective distribution system, tests were carried out aimed at characterizing its dynamic behavior when braking (time to stop the joint and rotation of the joint after the brake was engaged), the ability to maintain the position of the joint within safety thresholds, and the latency in distributing the power. At the same time, a simplified dynamic model of the actuator was developed in order to calculate an estimate of the current required by the motor during the operation of the prosthesis. The model has been validated on torque step tests and on position trajectories tracking tests and has been shown to offer accurate estimates of the current trend required by the motor in the transient phases of the tests.
Bench tests showed that the prosthesis meets the torque and speed requirements needed for walking at a normal cadence, hence the feasibility of designing a medium-level controller capable of reproducing the biomechanical characteristics of the leg of a healthy subject during the step cycle.
Preliminary tests were carried out on a healthy subject to evaluate the robustness of the mid-level controller at different walking speeds. From these tests it emerged that the control scheme already implemented in the prosthesis had limitations in the segmentation algorithm and in the actuation scheme. The segmentation was made more robust in identifying all the sub-phases of gait by considering different signals of the on-board prosthesis’ sensor system. Based on the phases identified with the segmentation (Early-Stance, Mid-Stance, Late-Stance, Swing), actuation strategies were proposed in order to overcome the observed limitations (namely, to obtain more normative knee position and ankle torque profiles during the gait cycle).
To verify the correct functioning of the proposed segmentation and actuation strategies, a simulator was created in the LabVIEW environment, preparatory to the integration into the prosthesis controller. Walking tests on a healthy subject have been performed to qualitatively compare the previous and the proposed middle-level control strategies with the normative gait profiles.


Italian version:
Le amputazioni di arto inferiore sono causa di disabilità motoria, e compromettono attività motorie (come la salita di scale) e la qualità della vita, soprattutto delle persone anziane. Le amputazioni di arto inferiore possono essere causate da numerosi fattori, tra cui patologie del sistema vascolare periferico, eventi traumatici, malattie tumorali, e/o malformazioni/malattie congenite. Tra i vari livelli di amputazione, l’amputazione transfemorale è quella con conseguenze più severe sulla mobilità e la qualità della vita dell’amputato. Nonostante i grossi avanzamenti tecnologici nella progettazione di protesi robotizzate di arto inferiore, non esiste ancora una soluzione che possa risolvere tutte le problematiche di efficienza energetica e cognitiva, e di interazione confortevole con l’utente. Tra le varie alternative di progettazione meccatronica di una protesi transfemorale robotizzata, la sottoattuazione è stata recentemente proposta come approccio volto a ridurre le masse e gli ingombri del dispositivo grazie all’utilizzo di un unico motore ed un sistema di ripartizione selettiva della potenza ai giunti di ginocchio e caviglia. Tuttavia, non è chiara la fattibilità di tale approccio in termini di (i) efficienza energetica e (ii) complessità del controllo. Pertanto, questo lavoro di tesi si è focalizzato sulla verifica sperimentale delle prestazioni di una protesi robotica sottoattuata per amputati transfemorali.
Gli obiettivi del lavoro di tesi sono stati: (i) caratterizzare le prestazioni dei regolatori di posizione e coppia del giunto di caviglia e di ginocchio, (ii) caratterizzare le prestazioni del sistema di ripartizione selettiva, (iii) sviluppare un modello dinamico dell’attuatore, e (iv) superare i limiti del controllore di medio livello in modo tale da sfruttare le caratteristiche meccatroniche della protesi durante il cammino.
In particolare, il sistema di controllo di basso livello (i.e., regolatori di posizione e coppia) è stato caratterizzato attraverso dei test su banco volti a valutare la risposta al gradino, risposte in frequenza, e la capacità di inseguire le traiettorie fisiologiche del cammino a diverse velocità. Per il sistema di ripartizione selettiva, sono stati effettuati test mirati a caratterizzarne il comportamento dinamico in fase di frenata (tempo per fermare il giunto e rotazione del giunto dopo la chiusura del freno), la capacità di mantenere la posizione del giunto all’interno di soglie di sicurezza, e la latenza nel ripartire la potenza. Contestualmente, è stato elaborato un modello dinamico semplificato dell’attuatore che fosse in grado di calcolare una stima della corrente necessaria al motore durante il funzionamento della protesi. Il modello è stato validato sui test di gradino in coppia e sui test di inseguimento di traiettorie in posizione, e ha dimostrato di offrire stime accurate dell’andamento della corrente richiesta dal motore nelle fasi transitorie dei test.
Dai test su banco è emerso che la protesi soddisfa i requisiti di coppia e velocità utili a camminare a cadenza normale, da cui ne consegue la fattibilità di sintetizzare un controllore di medio livello in grado di riprodurre le caratteristiche biomeccaniche della gamba di un soggetto sano durante il ciclo di passo.
Sono stati effettuati dei test preliminari su soggetto sano, per valutare la robustezza e la ripetibilità del controllore di medio livello a diverse velocità di cammino. Da questi test è emerso che lo schema di controllo già implementato nella protesi presenta delle limitazioni nell’algoritmo di segmentazione e nello schema di attuazione. La segmentazione è stata resa più robusta nell’identificazione di tutte le sottofasi del passo prendendo in considerazione i diversi segnali del sistema di sensori a bordo della protesi. Sulla base delle fasi identificate con la segmentazione (Early-Stance, Mid-Stance, Late-Stance, Swing) sono state proposte delle strategie di attuazione atte a superare le limitazioni osservate nei test preliminari (in particolare, per ottenere un profilo di posizione del ginocchio durante lo swing e di coppia alla caviglia durante lo stance più conformi ai profili normativi del cammino).
Per verificare il corretto funzionamento delle strategie di segmentazione e attuazione proposte, è stato realizzato un simulatore in ambiente LabVIEW, propedeutico all’integrazione nel controllore della protesi. Sono stati poi effettuati dei test su soggetto sano per comparare qualitativamente le strategie di controllo di medio livello con i profili normativi del cammino.