Realizzazione di un sistema basato su R.O.S. per terapie riabilitative assistite dal robot NAO.

Questo lavoro di tesi svolto ha come principale obiettivo lo sviluppo di un sistema per svolgereattività di fisioterapia assistista di tipo attivo con l'ausilio del robot Nao. In particolare, il concettoclassico di fisioterapia attiva, basato sull'assistenza di un istruttore, è sostituito da un sistema dovel'operatore è sostituito dal robot. La robotica oggi può aiutare a migliorare lo stile di vitadell'umano, l'intelligenza artificiale in questo caso si offre come soluzione volta ad agevolare incampo medico la riabilitazione del paziente mediante assistenza artificiale e offre un ulteriorepotente strumento di analisi e monitoraggio dei movimenti compiuti dal paziente che può essereesaminato dal medico specialista in una fase successiva anche da remoto. I vantaggi di questosistema sono molteplici. Una fisioterapia assistita da robot agevola in questo caso l'interazione con isoggetti più giovani che provano difficoltà o che rifiutano la terapia stessa. Il sistema aiuta a stimarei miglioramenti mediante il monitoraggio dei segnali e aiuta la valutazione dei movimenti fatti permezzo comunque del confronto dei risultati raccolti e analizzati dal robot, permette allo specialistadi poter seguire la terapia da paziente valutandone i miglioramenti. Per soddisfare tali specificheoccorre un'interazione continua fra strumenti hardware e software, assicurando un flusso continuodi dati. Questi requisiti sono agevolati dal framework R.O.S. (Robotic Operating System). Ilsistema nasce nel 2007, è comunemente utilizzato per comunicare in modo più semplice con i robot.Tale sistema si basa sullo scambio d'informazioni mediante messaggi sotto etichetta di topic e nodi,questi ultimi possono essere di natura hardware o software indipendenti fra loro. Il ROS è presentein molti software di rielaborazione dati, di calcolo e simulazione robotica. L'ambiente Matlab offrela possibilità d'interfacciarsi al sistema, il quale si può espandere ed essere integrato anche inhardware dedicato. Questo lavoro può essere principalmente suddiviso in due parti. La primas'incentra sulla descrizione del framework ROS e sulla realizzazione di un nodo ROS utilizzandoun modulo economico disponibile in commercio come ESP 8266. Il microcontrollore, come saràspiegato in seguito, è sincronizzato tramite connessione Wi-Fi al nodo centrale ROS avviato in unpersonal computer e di conseguenza sincronizzato con il software Matlab per rielaborazione dei datiin tempo reale. Il genere d'informazioni che si ricevono nel sistema Simulink sono quelle estratte daun modulo sensore dove è integrato un accelerometro e un giroscopio che è il mezzo che si utilizzaper ricavare informazioni sul movimento umano quindi opportunamente posto nel braccio delpaziente. Le informazioni prelevate dal sensore sono trasmesse tramite il sistema ROS e convertiteopportunamente mediante l'elaborazione dei dati effettuata su Simulink. Tali informazioni possonoessere tradotte in movimenti per il robot ma principalmente sono utili per tracciare il movimento delbraccio umano. La seconda parte del lavoro si concentra sulla progettazione del sistema Simulinkche ha il compito principale di gestire il flusso di dati proveniente dalla rete ROS, monitorare i4parametri e gestire la comunicazione sia con l'hardware dedicato sia con il robot. Attraversofeedback il robot sarà in grado di comunicare informazioni al paziente riguardo la bontà dell'azionecompiuta. Il paziente dovrà seguire quindi l'azione del robot. La parte finale del lavoro si dedicaall'estensione del sistema stesso fino alla possibilità di interconnettere lo stesso mediantecomunicazione B.L.E. (Bluetooth Low Energy) a un dispositivo mobile, quindi, di garantire lapossibilità di scelta del movimento manualmente. Alla rete sensoriale sarà aggiunto un biosensoreche pubblicherà su ROS informazioni principali delle attività cardiache del paziente che esegue laterapia. I risultati finali raggiunti in questo lavoro permetteranno cosi di definire un sistema cheattraverso ROS permette di interfacciare tecnologie differenti volte a garantire una miglioreinterazione tra robot e umano. Infine, s'illustreranno i risultati ottenuti integrando il risultato dellesimulazioni finali ottenute e, in particolar modo, la descrizione del set-up di lavoro creato cheintegra la soluzione di quanto progettato fino alla realizzazione del prototipo. In particolar modo si èprogettata una P.C.B. per integrare la soluzione hardware. Questo lavoro segue un percorsomultidisciplinare, dove il software è strettamente legato all'hardware e l'hardware stesso diventastrumento e mezzo di ausilio per il robot. Le metodologie della gestione del robot e del ROS. sonostate apprese durante il tirocinio svolto in sei mesi presso l'ente I.C.A.R. (Istituto Calcolo e Reti adAlte prestazioni) del C.N.R. (Consiglio Nazionale delle Ricerche) della sede di Palermo all'internodel progetto AMICO (PON) Italian Ministry of Education, Universities and Research (MIUR).