ETD

• biomechanics-informed control
• CEINMS-RT
• gait assistance
• human-robot interaction
• lower-limb exosuit
• musculoskeletal modeling
• real-time control
• torque-based control
• wearable robotics

Mechanical assistance at the hip joint is among the most effective strategies for reducing the metabolic cost of walking, but existing hip exosuit controllers typically rely on learned kinematic profiles (e.g., adaptive oscillators) that synchronize assistance with the gait cycle without reflecting the user's actual instant-by-instant muscular demand. This thesis presents the design, implementation, and experimental validation of a torque-based controller for a hip exosuit, built around CEINMS-RT, a real-time neuromusculoskeletal modeling framework used to estimate the biological hip torque online. To avoid dependence on wearable electromyographic acquisition, the muscle activations fed into CEINMS-RT are synthetically generated by a muscle synergy model (MEP), based on gait phase and walking speed estimated online from hip kinematics alone, and on ground slope, assumed null and constant in this work since experimental validation was carried out entirely on a treadmill. The assistive torque command is obtained by scaling the estimated biological torque by an assistance coefficient α (set to 20% in this work): since this estimate varies instant by instant with the synthetic muscle activation generated by the synergy model, the delivered assistance automatically adapts to the current walking intensity, thereby overcoming the limitation of the predefined assistance profiles typical of existing kinematic controllers.
The system was validated on a cohort of 8 healthy subjects according to three complementary treadmill protocols: randomized discrete speeds, a continuous speed ramp, and portable indirect calorimetry (COSMED, 7 subjects) for the measurement of net metabolic cost. Walking-speed estimation showed good accuracy both in steady-state conditions (R² = 0.983, RMSE = 0.165 km/h) and during continuous transitions (R² = 0.952, RMSE = 0.236 km/h), while gait phase, biological torque, and synthetic activations were modulated systematically and consistently with walking speed in both protocols. The active controller further produced a statistically significant, large-effect-size reduction in net metabolic cost, both relative to the device worn but switched off (−15.42%, p = 0.0015, Cohen's d = 2.09) and relative to not wearing it at all (−11.19%, p = 0.0245, Cohen's d = 1.12). These results demonstrate that assistance guided by real-time estimation of biological torque, without wearable electromyography, is able to deliver a measurable metabolic benefit under steady-state walking conditions, while maintaining robust walking-speed estimation accuracy in both steady-state and dynamic conditions.

L'assistenza meccanica all'articolazione dell'anca è tra le strategie più efficaci per ridurre il costo metabolico del cammino, ma i controllori esistenti per gli exosuit per l'anca si basano tipicamente su profili cinematici appresi (es. oscillatori adattativi), che sincronizzano l'assistenza con il passo senza però riflettere la reale richiesta muscolare, istante per istante, dell'utente. Questa tesi presenta la progettazione, l'implementazione e la validazione sperimentale di un controllore di coppia per un exosuit d'anca, basato su CEINMS-RT, un framework di modellistica neuromuscoloscheletrica in tempo reale impiegato per stimare online la coppia biologica dell'anca. Per evitare la dipendenza da un'acquisizione elettromiografica indossata dall'utente, le attivazioni muscolari in ingresso a CEINMS-RT sono generate sinteticamente da un modello di sinergie muscolari (MEP), a partire dalla fase del passo e dalla velocità di cammino stimate online dalla sola cinematica dell'anca, e dalla pendenza del terreno, assunta nulla e costante in questo lavoro poiché la validazione sperimentale è stata condotta interamente su tapis roulant. Il comando di coppia assistiva è ottenuto scalando la coppia biologica stimata per un coefficiente di assistenza α (pari al 20% in questo lavoro): poiché tale stima varia istante per istante con l'attivazione muscolare sintetica generata dal modello di sinergie, l'assistenza erogata si adatta automaticamente all'intensità del cammino corrente, superando così il limite dei profili di assistenza prefissati tipici dei controllori cinematici esistenti.
Il sistema è stato validato su una coorte di 8 soggetti sani secondo tre protocolli complementari su tapis roulant: a velocità discrete randomizzate, a rampa di velocità continua e con calorimetria indiretta portatile (COSMED, 7 soggetti) per la misurazione del costo metabolico netto. La stima della velocità ha mostrato una buona accuratezza sia in condizioni stazionarie (R² = 0.983, RMSE = 0.165 km/h) sia durante transizioni continue (R² = 0.952, RMSE = 0.236 km/h), mentre la fase del passo, la coppia biologica e le attivazioni sintetiche si sono modulate in modo sistematico e coerente con la velocità di cammino in entrambi i protocolli. Il controllore attivo ha inoltre prodotto una riduzione statisticamente significativa e di ampia entità del costo metabolico netto, sia rispetto al dispositivo indossato spento (−15.42%, p = 0.0015, Cohen's d = 2.09) sia rispetto al non indossarlo (−11.19%, p = 0.0245, Cohen's d = 1.12). I risultati dimostrano che un'assistenza guidata dalla stima in tempo reale della coppia biologica, priva di un'elettromiografia indossata, è in grado di erogare un beneficio metabolico misurabile in condizioni di cammino stazionario, mantenendo al contempo un'accuratezza della stima della velocità robusta sia in condizioni stazionarie sia durante le transizioni dinamiche.