Sviluppo di strategie di controllo di un esoscheletro attivo per il supporto del tronco = Development of control strategies for an active exoskeleton for trunk support

L’obiettivo di questo studio riguarda l’implementazione di strategie di assistenza durante i movimenti di bending, generate da un prototipo di esoscheletro attivo per il supporto del tronco. Le operazioni di material handling possono essere causa, nel lungo termine, di disturbi muscoloscheletrici che comportano malattie professionali ed infortuni. Dove la presenza dell’uomo non può essere sostituita si propongono soluzioni di robotica indossabile. Gli esoscheletri, nello specifico quelli di tipo attivo, consentono di fornire un supporto adattativo al movimento eseguito dall’utente, riducendone lo sforzo e migliorando efficacia e comfort. Per ottenere i suddetti vantaggi è necessario studiare un’opportuna legge di controllo capace di adattarsi alle esigenze e al movimento compiuto dall’utente. Inizialmente, per studiare le tecniche di bending e valutare le coppie e i carichi articolari che si generano durante i movimenti di stoop e squat eseguiti da un operatore, è stato sviluppato un modello Simscape multibody dell’utente e dell’esoscheletro. Il modello adottato schematizza il corpo umano con 12 segmenti e 27 gradi di libertà e può essere scalato sulle misure antropometriche proprie dell’utente. L’esoscheletro è schematizzato come un sistema meccanico costituito tra tre segmenti rigidi articolati tra loro con una doppia cerniera a livello dell’anca. L’effetto dell’esoscheletro sul corpo è modellizzato attraverso le azioni che questo scambia a livello dei contatti con tronco, bacino e cosce. La giunzione tra segmenti di tronco e di cosce è attiva con controllo di coppia. In input al modello sono fornite le grandezze cinematiche delle articolazioni durante un movimento e in ouput si ricavano le coppie e forze che le articolazioni risentono per compiere il movimento. Due soggetti sono stati coinvolti nell’ acquisizione dei dati cinematici durante movimenti di bending ripetuti indossando l’esoscheletro in modalità trasparente a tre differenti velocità di esecuzione. Il sistema di sensori integrato nell’esoscheletro è in grado di misurare la cinematica relativa fra tronco e coscia e quella fra coscia e bacino. Per completare gli input cinematici del simulatore è stato necessario posizionare dei sensori IMU su polpaccio, coscia, tronco e braccio per ricavare i valori cinematici delle articolazioni di caviglia, ginocchio e spalla. Il modello simula la cinematica dei movimenti ottenuti dai dati sperimentali in assenza e con l’implementazione dell’azione dell’esoscheletro, applicando al corpo le forze di assistenza secondo diverse leggi di supporto. È possibile valutare l’efficacia delle strategie di supporto confrontando coppie e forze articolari prodotte da differenti leggi di coppia attiva dell’esoscheletro durante i diversi gesti di bending. Il carico a cui è soggetta la parte lombare del corpo risulta essere maggiore durante il movimento libero di stoop rispetto allo squat, come confermato dalla letteratura. Lo studio condotto evidenzia che l’assistenza fornita dall’esoscheletro determina una riduzione delle coppie delle articolazioni di anca e vita e la necessità di distinguere l’assistenza in funzione della strategia di movimento. Se si fornisse la stessa coppia indistintamente, la forza applicata al tronco potrebbe causare disequilibrio nell’utente portando, nel peggiore dei casi, a ribaltamento. Infine, le leggi testate in ambiente di simulazione sono state implementate e testate sperimentalmente al fine di validarne non solo l’efficacia ma anche il comfort finale dell’utente.