I pazienti con debolezza muscolare progressiva (distrofia muscolare) spesso soffrono di grandi limitazioni nella loro mobilità. L'esoscheletro "Autonomyo" può sostenere i muscoli indeboliti. La potenza aggiuntiva proviene da piccoli motori con sensori di coppia magnetici appositamente integrati.
"Quando la debolezza muscolare si manifesta nelle gambe, la deambulazione diventa sempre più difficile e a un certo punto non funziona più senza supporto", spiega Mohamed Bouri, Capo del Gruppo di Ricerca sulla Riabilitazione e la Robotica Assistiva (Reha Assist) presso il Politecnico Federale di Losanna (EPFL).
"Anche se i muscoli funzionano ancora, non hanno più forza sufficiente per una posizione stabile o per un movimento indipendente delle gambe. Questo ha un impatto enorme sulla gamma di movimenti e sulla qualità della vita. Una paralisi di metà lato dopo un ictus ha effetti simili. Il nostro obiettivo era quello di superare il più possibile queste limitazioni con l'aiuto di un dispositivo di assistenza motorizzato che permetta ai pazienti di contribuire ai propri movimenti".
Come funziona il nuovo sviluppo?
Gli esoscheletri convenzionali, che consentono ai paraplegici di camminare senza stampelle, spesso pesano oltre 40 kg. L'"Autonomyo" sviluppato da Reha Assist è molto più leggero, con soli 25 kg, e funziona con il sistema muscolo-scheletrico indebolito ma ancora parzialmente funzionante del paziente. Viene fissato al busto con un corsetto e alle gambe con delle manette. Tre piccoli motori su ciascun lato forniscono la potenza che manca ai muscoli per il movimento. Un motore ciascuno è responsabile della flessione e dell'estensione delle anche e delle ginocchia. Il terzo piccolo motore supporta l'abduzione e l'adduzione della gamba nell'articolazione dell'anca, cioè il movimento laterale rispetto alla linea centrale del corpo. I motori aiutano quindi il paziente a mantenere l'equilibrio e a camminare in posizione eretta. Un recente studio clinico condotto, tra gli altri, su persone con disabilità di deambulazione, ha dimostrato che l'esoscheletro funziona come previsto: offre libertà di movimento in base alle intenzioni dell'utente e non influisce negativamente sulla gamma di movimento delle articolazioni o sulla cadenza dell'andatura.
L'esoscheletro può sostenere i muscoli indeboliti e consente una sequenza di movimento intuitiva che segue quella naturale.
"Il primo innesco per iniziare a camminare è un piccolo cambiamento nella posizione degli arti inferiori", afferma Mohamed Bouri. Questo viene riconosciuto dalla combinazione di informazioni provenienti da un'unità di misura inerziale, da otto sensori di carico sulle piante dei piedi e dagli encoder dei motori, che servono come sensori di posizione delle articolazioni. Questi dati aiutano anche a sostenere l'equilibrio. Secondo Mohamed Bouri, l'interazione tra l'esoscheletro e l'utente è fondamentale quando si cammina. Un sensore di coppia magnetica sviluppato da Faulhaber (vedere box aziendale) rileva questa interazione, che è importante per la strategia di supporto.
Sensore di coppia magnetico come alternativa agli estensimetri
Gli estensimetri che possono essere deformati dalla forza applicata sono solitamente utilizzati per misurare la coppia. Un punto debole del design è il collegamento adesivo per la loro applicazione. Gli sviluppatori di Faulhaber li hanno quindi sostituiti con un sistema di misurazione magnetico ad alta risoluzione, con il quale è possibile ottenere una deviazione inferiore a 1,5 % nell'intervallo di misurazione di +/- 30 Nm. Il sensore di coppia magnetico fornisce quindi un valore di alta precisione della coppia di reazione nel movimento di deambulazione, che è di importanza centrale per il controllo dell'esoscheletro. "L'adattamento del dispositivo ai singoli pazienti richiede una calibrazione molto differenziata del sistema complessivo. Il software calcola i segnali di controllo per gli azionamenti in base ai vari parametri e al feedback del movimento. Il tipo e l'entità del supporto fornito dai piccoli motori viene poi determinato sulla base di queste informazioni", spiega il capo del gruppo di ricerca Reha Assist.
Quali sono i requisiti della potenza dell'azionamento?
Il fulcro delle sei unità di azionamento installate è il motore brushless compatto 3274 BP4 con un diametro di 32 mm, che eroga una coppia nominale di 158 mNm. La sua potenza è trasmessa da un riduttore epicicloidale 42 GPT con un albero realizzato appositamente per questa applicazione. L'encoder IE3 fornisce i dati di posizione al controllore. Il sensore di coppia magnetico è integrato nei riduttori dei quattro piccoli motori per i movimenti di flessione ed estensione del ginocchio e dell'anca.
GLI SPECIALISTI DELL'AUTO DI SCHÖNAICH
Faulhaber è specializzata nello sviluppo, nella produzione e nell'utilizzo di sistemi di azionamento miniaturizzati e microdrive di alta precisione, componenti servo e sistemi di controllo con una potenza di uscita fino a circa 250 watt. Questo include la realizzazione di soluzioni complete specifiche per il cliente, oltre a una vasta gamma di prodotti standard come motori brushless, micromotori DC, encoder e controllori di movimento. Secondo l'azienda, il marchio Faulhaber è sinonimo di alta qualità e affidabilità in aree applicative complesse ed esigenti come la tecnologia medica, l'automazione di fabbrica, l'ottica di precisione, le telecomunicazioni, l'aerospaziale e la robotica. Dai potenti motori CC con una coppia continua di 224 mNm ai delicati microdrive con un diametro esterno di 1,9 millimetri, il portafoglio standard di Faulhaber comprende oltre 25 milioni di opzioni per comporre un sistema di azionamento ottimale per un'applicazione. Questo sistema tecnologico modulare è anche la base per le modifiche, al fine di poter soddisfare i requisiti speciali dei clienti per progetti particolari.
Trovare un fornitore adatto non è difficile
I requisiti delle unità di azionamento sono tipici dei piccoli motori Faulhaber: prestazioni elevate con il minimo volume e peso possibile, precisione, affidabilità e lunga durata. Secondo Mohamed Bouri, la ricerca di un fornitore adatto non è stata particolarmente difficile: "Definendo le specifiche, la selezione dei motori adatti era già molto semplice. Il gruppo di ricerca inter-facoltà di astrofisica della nostra università lavora già con Faulhaber, quindi ci ha dato delle raccomandazioni convincenti. Inoltre, Faulhaber è stata in grado di sviluppare il sensore di coppia in tempi molto brevi, il che è stato molto importante per il nostro progetto".
Quale potenziale di sviluppo ha l'innovazione?
Il sensore di coppia magnetico non è ancora un prodotto di serie e finora è stato prodotto in piccole quantità solo per l'applicazione descritta con l'esoscheletro. Tuttavia, sono ipotizzabili altre aree di applicazione in cui è necessario misurare valori di coppia molto precisi, ad esempio in applicazioni aptiche come l'assistenza robotica in sala operatoria, dove il chirurgo guida lo strumento e la macchina assicura forza e precisione. Il sensore è ideale per la documentazione nel controllo qualità.
Fonte: Camminare senza stampelle con piccoli motori e sensore di coppia (vogel.de) (09.12.2022)