Validazione sperimentale di un prototipo di esoscheletro passivo basato su muscoli di McKibben per uso industriale

Il lavoro di tesi verte sulla realizzazione ed applicazione di un protocollo sperimentale per la validazione di un prototipo di esoscheletro passivo per arti superiori, destinato ad un uso industriale. Questo dispositivo custom è caratterizzato da un sistema originale per la generazione dell’azione di supporto a livello delle spalle, basato su una coppia di muscoli artificiali pneumatici denominati “di McKibben”, impiegati in modo simile ad elementi passivi elastici. La forza sviluppato da ogni muscolo è trasmessa all’arto superiore mediante un cavo, la cui traiettoria è vincolata da opportuni punti di rinvio e da un elemento rigido posto in corrispondenza del giunto di spalla, il cui profilo è progettato per adattare la caratteristica forza-contrazione del muscolo artificiale alla coppia richiesta per il sostegno dell’arto. Grazie a opportuni giunti integrati nell’architettura del sistema, ai bracci esoscheletrici sono consentiti dei range angolari di 30° in abduzione/adduzione orizzontale e di 45° in flesso-estensione (partire dalla condizione con braccio teso, in posizione orizzontale). Il protocollo sperimentale, testato su un campione di otto soggetti, è costituito da 3 tipologie di prove: una prova “statica”, una prova “dinamica” ed infine una prova detta “di precisione”, atta a simulare un tipo di mansione lavorativa detta “overhead” (ovvero da svolgere con gli arti sollevati al di sopra del capo). Ai fini della valutazione delle prestazioni dell’esoscheletro, ogni test è stato eseguito con e senza l’ausilio del dispositivo indossabile. Per la raccolta dei dati necessari, ci si è avvalsi di un sistema di prelievo di segnale EMG di superficie, un sistema optoelettronico di motion analysis ed una pedana dinamometrica. Mediante la strumentazione di laboratorio, è stato possibile effettuare delle analisi inerenti al fenomeno di affaticamento dei muscoli del busto, degli arti superiori e della zona lombare. Obiettivi dello studio sono state anche la valutazione della mobilità tra esoscheletro e utilizzatore, e l’analisi dell’impatto sull’equilibrio posturale del dispositivo. Nelle prove statiche, il supporto dell’esoscheletro ha permesso una riduzione dell’attività mioelettrica sui muscoli reclutati nel braccio teso (le porzioni anteriore e posteriore del deltoide ed il bicipite brachiale), in termini sia di intensità del segnale sia di frequenza. Nelle prove dinamiche l’azione di sostegno esoscheletrica è stata mediamente inferiore al caso precedente, coinvolgendo soprattutto l’insieme muscolare reclutato per i movimenti di abduzione/adduzione orizzontale e di flesso-estensione del braccio (ovvero deltoide e gran pettorale). Nelle prove di precisione si è registrata un’alta variabilità dei dati, dovuta alle diverse strategie utilizzate dai soggetti nell’esecuzione del task, che ha impedito di stabilire in modo esauriente ed univoco l’efficacia del dispositivo sui singoli muscoli. In quasi tutte le prove sperimentali, si è osservato che la ridistribuzione dei carichi gravitazionali ed il peso dell’esoscheletro hanno acuito il fenomeno di fatica sui muscoli erettori spinali (nella zona lombare). L’esoscheletro è risultato particolarmente sensibile ai movimenti delle braccia nella prova di precisione (con scostamenti superiori alle dimensioni di un marker passivo, ovvero 14 mm).