Il gruppo di ricerca degli autori, che opera nel DIIE dell’UniversitĂ dell’Aquila, si interessa della progettazione di attuatori pneumatici innovativi: a muscolo pneumatico e a sacchetta. Il loro campo principale di utilizzo è quello dei sistemi di ausilio e degli apparati per riabilitazione. Viene presentato lo sviluppo di un’ortesi attiva per arti inferiori come ausilio nei movimenti di sollevamento da posizione seduta per persone abili ma con un deficit di forza localizzato.
L’obiettivo di questa ricerca è lo sviluppo di una ortesi di arto inferiore, indossabile sotto i pantaloni e che non renda difficoltosa la deambulazione, per aiutare lâutilizzatore a sedersi senza cadere con il proprio peso sulla seduta e a sollevarsi dalla posizione seduta, quando questi presenti dei deficit di potenza muscolare nei muscoli femorali, frequenti oltre una certa etĂ . Il primo prototipo di ortesi, realizzato nella prima fase della ricerca, ha mostrato la fattibilitĂ dellâidea alla base del progetto, ma ha anche fatto emergere alcuni problemi legati al peso eccessivo del prototipo e alla criticitĂ delle interfacce ortesi-arto. Il secondo prototipo qui presentato [1] mantiene la struttura con un solo grado di libertĂ motorizzato, in corrispondenza dellâarticolazione del ginocchio, con due parti strutturali principali: una superiore, che avvolge la coscia, e una inferiore, che corre lungo la gamba. Lâortesi
è stata concepita per lâutilizzo con un sistema di comando e controllo che permette di realizzare il movimento di flessione e estensione dellâarto inferiore in modo naturale, senza richiedere alcun allenamento speciale allâutilizzatore. Lâazionamento pneumatico inoltre è quello che garantisce compattezza allâortesi, non avendo ad esempio necessitĂ di un riduttore di velocitĂ , con una curva caratteristica che ben si accoppia con la domanda di coppia richiesta per sollevarsi dalla posizione seduta e per sedersi.
Per sviluppare il prototipo dellâortesi, sono state individuate le seguenti specifiche: ortesi con un grado di libertĂ motorizzato a livello del ginocchio; dimensioni e peso contenuti; capacitĂ di aiutare nel sollevamento dalla posizione seduta una persona di circa 75 Kg di massa; confortevole per la persona che la indossa, soprattutto nelle interfacce ortesi-arto; esteticamente accettabile da parte dellâutente; possibilitĂ di essere indossata sotto i pantaloni; sufficiente autonomia per lâutilizzatore; silenziosa nellâutilizzo.
La progettazione e la prototipazione dellâortesi
In accordo con la specifica tecnica e considerando il know how acquisito con il primo prototipo, si è deciso di sviluppare una ortesi con un grado di libertĂ (gdl) motorizzato a livello del ginocchio e con un gdl non motorizzato a livello della caviglia (Figura 1). I giunti del ginocchio e della caviglia collegano le parti strutturali dellâortesi relative alla coscia, alla gamba e al piede. Al fine di applicare la spinta al corpo dellâutente, è stato utilizzato un supporto sotto i glutei, che è accoppiato con la parta alta dellâortesi, quella della coscia. Per quanto riguarda gli attuatori, si è deciso di utilizzare attuatori a muscolo pneumatico, grazie allâelevato rapporto forza-peso, alla loro âsicurezza intrinsecaâ, e alla favorevole curva caratteristica forza di trazione-accorciamento. Per il gdl motorizzato è stata progettata ad hoc una trasmissione a fune, con puleggia, sul giunto del ginocchio, da realizzare in alluminio. Per quanto riguarda le parti strutturali, a causa della necessitĂ di piccole dimensioni e di un peso contenuto, la progettazione si è indirizzata su componenti di forma tubolare in fibra di carbonio, progettati e realizzati dagli autori con un setup di laboratorio, per la caratteristica di leggerezza e di resistenza strutturale che questo materiale garantisce.
Nel dettaglio della metodologia di progettazione si può dire quanto segue. Ă stata preliminarmente studiata una procedura di sviluppo dellâortesi per un dato utilizzatore che consente di acquisire i dati necessari a riprodurre la geometria dellâarto inferiore in ambiente CAD. La procedura misura le coordinate di specifici punti dellâarto inferiore, mediante un dispositivo di misura (MD) progettato per questa finalitĂ . I punti sono necessari per produrre un profilo bidimensionale, rispetto ad un sistema di riferimento fissato al MD, costituito da 3 guide lineari e da un sistema per la misurazione della posizione del puntale di rilievo. La procedura richiede di misurare almeno 7 punti nel piano frontale: 2 punti, che rappresentano lâinterno e lâesterno della caviglia; 2 punti che rappresentano lâinterno e lâesterno del ginocchio; 2 punti nella zona alta della gamba che rappresentano la parte superiore dellâortesi, posti a circa 50 mm dallâinguine; un punto sulla cresta âiliacaâ (Figura 2).
Per il progetto del giunto di ginocchio dellâortesi sono stati utilizzati, allo stesso tempo, due manichini digitali, di altezza pari a 1,6 m e 1,9 m, considerando su ognuno tre tipologie di ginocchio: normale, âvaroâ e âvalgoâ. PoichĂŠ questo giunto deve âfasciareâ lâarto inferiore, in modo che lâortesi sia piĂš stretta possibile allâarto, sono stati studiati diversi casi sui manichini virtuali, in base alla conformazione del ginocchio e allâaltezza dellâutilizzatore. Ă stato quindi condotto uno studio di ottimizzazione per la progettazione delle due parti dellâarticolazione del ginocchio e per definire una standardizzazione dimensionale.
Unâaltra procedura, anchâessa sottoposta a test preliminari in questa ricerca, utilizza uno scanner 3D per acquisire la geometria della gamba dellâutilizzatore. La procedura è altrettanto efficace, ma si è preferito qui sviluppare un dispositivo di misura della geometria della gamba semplice e tradizionale, per permettere anche a operatori di piccole officine ortopediche di applicare facilmente la procedura. In Figura 3 è mostrato il risultato di questa procedura semplificata di ricostruzione geometrica dellâarto inferiore e di accoppiamento con il modello 3D dellâortesi sviluppata, mostrata con muscoli pneumatici non attivati e vicini alla massima contrazione.
Per il dimensionamento degli attuatori si è posta come specifica che lâortesi sia in grado di fornire almeno il 50% del momento necessario a sollevarsi dalla posizione seduta. Per quanto riguarda il momento richiesto è stato utilizzato un modello dinamico inverso dellâarto inferiore. Il modello è caratterizzato dalla misurazione dei parametri fisici e geometrici dellâarto inferiore (Figura 4). Come attuatori sono stati scelti i muscoli pneumatici a fibre intrecciate, noti come muscoli McKibben, della societĂ Shadow Robot Company. Lo spazio a disposizione ha portato a un muscolo con lunghezza attiva di 230 mm. Una volta scelto il raggio della puleggia, pari a 27,25 mm, si ottiene il valore del momento che i muscoli pneumatici devono fornire e il loro accorciamento. Con questi dati, i muscoli scelti sono caratterizzati dai seguenti parametri: lunghezza attiva, Lamax = 230 mm; accorciamento massimo richiesto, Lmax = 55 mm; diametro massimo, Dmax = 30 mm. I muscoli pneumatici sono stati quindi verificati, confrontando il momento richiesto per il sollevamento al valore che il muscolo è in grado di fornire (Figura 5). Si può osservare che la curva del muscolo pneumatico a 0,2 MPa soddisfa giĂ tutta la domanda di coppia necessaria per sollevarsi dalla posizione seduta. Il giunto di ginocchio e gli elementi di connessione tra le diverse parti dellâortesi (fascia curvilinea superiore, sottopiede…) sono state dimensionate attraverso la modellazione a elementi finiti e sono state poi realizzate in alluminio.