Valutazione dell'interazione esoscheletro-corpo umano: simulazione e analisi di indici ergonomici di comfort, vestibilità e adattamento = Evaluation of the exoskeleton-human body interaction: simulation and analysis of ergonomic indices of comfort, fit, and adaptation

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è mettere a punto una metodologia per la valutazione quantitativa dell’ergonomia per gli esoscheletri progettati per il supporto del rachide. Gli esoscheletri sono dispositivi indossabili con la funzione di essere d’ausilio agli utenti, ad esempio per aumentare, assistere o ripristinare la funzionalità dei segmenti corporei. Tali tecnologie di assistenza sono finalizzate a ridurre il rischio di Low Back Pain (LBP) e altri disturbi muscoloscheletrici che interessano la colonna vertebrale dovuti ad azioni ripetute sotto sforzo. L’ergonomia, la sicurezza e l’efficienza del dispositivo possono essere valutate tramite indici ergonomici, tra i quali comfort, vestibilità e adattamento. Quest’ultimo può essere declinato in statico, dinamico e cognitivo e riveste un ruolo primario per l’accettazione del dispositivo per l’utente. L'esoscheletro XoTrunk è un dispositivo attivo, alimentato a batteria con due motori elettrici, in fase di sviluppo per il supporto posteriore a torsione controllata ed è nato da una collaborazione tra INAIL e il laboratorio XoLab dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) di Genova. L’analisi ergonomica del sistema esoscheletro-corpo umano è stata eseguita mettendo a punto degli indici atti a valutare le prestazioni dell’esoscheletro e sviluppando un modello numerico multibody che consente di simulare alcune condizioni operative. L’analisi numerica comprende un modello del corpo umano Articulated Total Body (ATB) ed un modello dell'esoscheletro. Il modello ATB è composto da corpi rigidi di geometria antropomorfa che rappresentano i segmenti corporei, tra loro articolati con dei vincoli cinematici posti in corrispondenza delle articolazioni. Tale modello è di tipo passivo, essendo caratterizzato dall’implementazione di leggi di resistenza passiva in corrispondenza delle articolazioni al fine di garantire movimenti fisiologici dei segmenti corporei. Gli elementi flessibili dell’esoscheletro (cinghie pettorali e cinghie pelviche) sono stati modellati tramite una discretizzazione delle rispettive geometrie in una serie di diversi corpi rigidi articolati tra loro in modo da permettere l’aderenza delle cinghie alla morfologia del tronco, requisito necessario per garantire il comfort e l'efficacia del dispositivo. Questo tipo di simulazione multibody consente di analizzare le condizioni di utilizzo in tempi rapidi con meno risorse computazionali rispetto ad un modello basato sugli elementi finiti (FEM). L'analisi ergonomica si è concentrata sulla verifica delle forze di contatto tra i segmenti delle cinghie e i segmenti corporei, controllando che queste non superino determinati parametri di pressione considerati come soglie critiche che potrebbero causare disagio agli utenti. L’indice ergonomico si basa infatti sul superamento o meno di valori di pressione massima che se raggiunti porterebbero a situazioni di discomfort. Inoltre, è stata valutata la stabilità dell’esoscheletro nelle condizioni operative per le quali è stato progettato: movimenti e sfregamenti eccessivi potrebbero infatti comportare abrasioni, escoriazioni o difficoltà nel mantenere l’equilibrio. L’analisi di questi indici ergonomici rende possibile una valutazione più completa dell’interazione tra l’esoscheletro e il corpo umano. Tali miglioramenti consentono di arrivare a risultati più affidabili per la progettazione di questi dispositivi contribuendo a migliorare le loro prestazioni e di conseguenza la qualità della vita degli utenti.