Progettazione e test sperimentali della cintura pelvica in un esoscheletro per il supporto del tronco = Design and experimental tests of the pelvic belt in a trunk supporting exoskeleton

Negli ultimi decenni, con l’avvento dell’Industria 4.0, la tradizionale robotica stand-alone è stata sostituita dalla robotica collaborativa, di cui fanno parte gli esoscheletri, strutture meccaniche indossabili che, in base all’azione dell’utente, sono in grado di fornire un’assistenza a specifiche parti del corpo, aiutando a prevenire numerosi disturbi muscoloscheletrici. In un precedente studio è stato implementato, partendo da un esoscheletro passivo per il supporto del tronco, un prototipo attivo, in grado di modulare l’assistenza in base al movimento effettuato. Dato il peso della struttura, dotata di due giunti attivi, risulta necessario ottimizzare i punti di contatto con l’utente. L’obbiettivo del presente lavoro si incentra sulla progettazione e realizzazione di una cintura pelvica per l’esoscheletro attivo precedentemente sviluppato, al fine di ottimizzarne l’interazione con l’utente e la distribuzione dei carichi. A seguito di un’analisi in letteratura e commerciale delle soluzioni tutt’ora presenti, si sono evidenziate le criticità del prototipo, con particolare attenzione per l’interazione con l’utente, ed analizzate le possibili soluzioni riguardanti l’ottimizzazione del design e dei materiali della cintura. Per la progettazione della cintura è stato usato un approccio simile all’User Centered Design, ponendo le esigenze dell’utente al centro del progetto, arrivando al prototipo finale attraverso un processo di prototipazione a bassa fedeltà. Il primo step è stato la localizzazione della corretta posizione della cintura. Nell’esoscheletro di partenza, avvolgeva la regione sacrale dell’utente, cercando di evitare traslazioni verticali grazie alle forze di attrito. Nel prototipo realizzato in questo lavoro la cintura avvolge la regione lombare, garantendo un’ottima stabilità e scaricando il peso sul bacino. Dopo aver verificato tale assunzione attraverso prove eseguite su sette soggetti, è stata progettata la prima versione del prototipo. Grazie a diversi test svolti su due soggetti si è ricorsivamente migliorata la soluzione iniziale, arrivando a quella finale. Quest’ultima non prevede l’uso di componenti rigidi ed è composta da una cintura imbottita che avvolge la regione lombare, da elementi in caucciù per l’ancoraggio con i giunti, da corde in Nylon che permettono di posizionare correttamente i giunti e da due cinghie che stabilizzano l’assieme. Per dimensionare le corde in Nylon, è stata condotta un’analisi dei percentili antropometrici. Per testarne l’efficacia, il prototipo è stato sostituito alla cintura pelvica dell’esoscheletro di partenza, mantenendo invariate le altre parti, compresi i giunti passivi. Sono stati eseguiti dei test sperimentali su due soggetti relazionando le pressioni nei punti di contatto all’angolo relativo tra tronco e gambe durante i movimenti di stoop e semisquat, sia per l’esoscheletro di partenza che, avendo i giunti passivi è il Laevo, sia per il nuovo prototipo. Per l’acquisizione dei dati sono stati usati dei sensori di pressione e il sistema optoelettronico Vicon con marker passivi. Si è potuto notare come tra i due esoscheletri si siano ottenuti risultati molto simili per i pad delle cosce e del petto, mentre vi sono differenze notevoli sulle pressioni rilevate sulla cintura pelvica. Questi risultati confermano che la nuova configurazione aumenta la stabilità dell’esoscheletro andando a scaricare il peso sul bacino dell’utente, senza compromettere la corretta funzionalità dei giunti.