Sviluppo di un’ortesi attiva per arti inferiori azionata da muscoli pneumatici

Il gruppo di ricerca degli autori, che opera nel DIIE dell’Università 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 l’utilizzatore 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 età. Il primo prototipo di ortesi, realizzato nella prima fase della ricerca, ha mostrato la fattibilità dell’idea alla base del progetto, ma ha anche fatto emergere alcuni problemi legati al peso eccessivo del prototipo e alla criticità delle interfacce ortesi-arto. Il secondo prototipo qui presentato [1] mantiene la struttura con un solo grado di libertà motorizzato, in corrispondenza dell’articolazione del ginocchio, con due parti strutturali principali: una superiore, che avvolge la coscia, e una inferiore, che corre lungo la gamba. L’ortesi
è stata concepita per l’utilizzo con un sistema di comando e controllo che permette di realizzare il movimento di flessione e estensione dell’arto inferiore in modo naturale, senza richiedere alcun allenamento speciale all’utilizzatore. L’azionamento pneumatico inoltre è quello che garantisce compattezza all’ortesi, non avendo ad esempio necessità di un riduttore di velocità, 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 dell’ortesi, sono state individuate le seguenti specifiche: ortesi con un grado di libertà motorizzato a livello del ginocchio; dimensioni e peso contenuti; capacità 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 dell’utente; possibilità di essere indossata sotto i pantaloni; sufficiente autonomia per l’utilizzatore; silenziosa nell’utilizzo.

La progettazione e la prototipazione dell’ortesi

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 libertà (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 dell’ortesi relative alla coscia, alla gamba e al piede. Al fine di applicare la spinta al corpo dell’utente, è stato utilizzato un supporto sotto i glutei, che è accoppiato con la parta alta dell’ortesi, quella della coscia. Per quanto riguarda gli attuatori, si è deciso di utilizzare attuatori a muscolo pneumatico, grazie all’elevato rapporto forza-peso, alla loro “sicurezza intrinseca”, 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 necessità 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. È stata preliminarmente studiata una procedura di sviluppo dell’ortesi per un dato utilizzatore che consente di acquisire i dati necessari a riprodurre la geometria dell’arto inferiore in ambiente CAD. La procedura misura le coordinate di specifici punti dell’arto inferiore, mediante un dispositivo di misura (MD) progettato per questa finalità. 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 l’interno e l’esterno della caviglia; 2 punti che rappresentano l’interno e l’esterno del ginocchio; 2 punti nella zona alta della gamba che rappresentano la parte superiore dell’ortesi, posti a circa 50 mm dall’inguine; un punto sulla cresta “iliaca” (Figura 2).

Per il progetto del giunto di ginocchio dell’ortesi 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, “varo” e “valgo”. Poiché questo giunto deve “fasciare” l’arto inferiore, in modo che l’ortesi sia più stretta possibile all’arto, sono stati studiati diversi casi sui manichini virtuali, in base alla conformazione del ginocchio e all’altezza dell’utilizzatore. È stato quindi condotto uno studio di ottimizzazione per la progettazione delle due parti dell’articolazione del ginocchio e per definire una standardizzazione dimensionale.

Un’altra procedura, anch’essa sottoposta a test preliminari in questa ricerca, utilizza uno scanner 3D per acquisire la geometria della gamba dell’utilizzatore. 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 dell’arto inferiore e di accoppiamento con il modello 3D dell’ortesi sviluppata, mostrata con muscoli pneumatici non attivati e vicini alla massima contrazione.

Per il dimensionamento degli attuatori si è posta come specifica che l’ortesi 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 dell’arto inferiore. Il modello è caratterizzato dalla misurazione dei parametri fisici e geometrici dell’arto inferiore (Figura 4). Come attuatori sono stati scelti i muscoli pneumatici a fibre intrecciate, noti come muscoli McKibben, della società 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 già tutta la domanda di coppia necessaria per sollevarsi dalla posizione seduta. Il giunto di ginocchio e gli elementi di connessione tra le diverse parti dell’ortesi (fascia curvilinea superiore, sottopiede…) sono state dimensionate attraverso la modellazione a elementi finiti e sono state poi realizzate in alluminio.