Come progettare un esoscheletro

Un esoscheletro deve essere leggero, compatto, potente, affidabile e facile da usare: nient'altro? In tutto il mondo sono molti gli sviluppatori che si occupano di queste strutture con risultati di diverso successo. Christian Bermes, responsabile del team VariLeg enhanced spiega tutto ciò che c'è dietro.

Meccanica

“Riprodurre l'andatura umana con i sistemi meccatronici è una sfida ingegneristica immensa. La struttura che supporta il portatore deve essere il più possibile leggera ma robusta, in quanto qualsiasi chilogrammo in più incide sui sistemi di azionamento. Per questo motivo vengono usati spesso materiali leggeri come ad esempio il carbonio. È importante anche che l'esoscheletro non sia troppo largo, perché il portatore deve poter passare per le porte senza difficoltà.”

Azionamenti

“I sistemi di azionamento composti da motore e riduttore devono fornire una coppia elevata. Sono in gioco forze enormi, soprattutto mentre si salgono le scale. Al contempo è richiesta una dinamica elevata, in quanto i motori devono cambiare continuamente il senso di rotazione in fase di deambulazione. Il prodotto finale desiderato deve presentare quindi una struttura compatta con il ingombro minimo possibile.”

Interfaccia utente

“Il portatore deve poter avere il pieno controllo della locomozione, quindi il controllo dei movimenti deve essere facilmente accessibile e intuitivo. Inoltre, per assicurarsi che trasmetta in maniera affidabile le forze elevate in gioco proteggendo al contempo la pelle delicata del portatore, l'interfaccia deve essere adattata singolarmente alle gambe e al tronco del portatore.”

Portatore ed esperienza

“Questo è senza dubbio il punto più importante. La funzionalità pratica dell'esoscheletro dipende sostanzialmente dal portatore che deve avere familiarità con l'assistenza robotizzata e imparare come usarla al meglio. Alcuni puntano più sulla forza mentre altri sulla tecnica. In entrambi i casi il portatore deve essere addestrato a fondo.”

Gradi di libertà

“Quanti gradi di libertà deve avere l'esoscheletro? Domanda difficile. Spesso i progettatori di esoscheletri optano per due gradi di libertà per gamba, quindi si muovono soltanto l'anca e il ginocchio. I vantaggi: peso ridotto, sistema di controllo più semplice e meno possibilità di errore. È possibile però avere anche tre o quattro gradi di libertà. Ciò significa che, ad esempio, possono essere eseguiti movimenti laterali oppure può essere mossa la caviglia. Tutto questo offre al portatore una maggiore libertà di movimento e maggiore stabilità su terreni irregolari. Di contro però, l'intero sistema è più pesante e complesso e la vita utile della batteria diminuisce.”

Software

“A un primo sguardo il controllo di meno gradi di libertà potrebbe sembrare semplice. Andando più nel dettaglio ci si accorge però che l'implementazione è piuttosto complessa. Ciò è dovuto al fatto che devono essere controllati svariati movimenti differenti e le funzioni di sicurezza devono impedire gli incidenti. Inoltre, l'intero esoscheletro deve essere sviluppato in collaborazione con il portatore. Ciò è possibile soltanto con un'architettura software concreta.”

Christian Bermes è team leader di VariLeg enhanced e docente di automazione e meccatronica all'Università di scienze applicate HSR di Rapperswil.

Il nuovo esoscheletro VariLeg con doppia potenza dei motori

Il team VariLeg enhanced sta sviluppando e costruendo un esoscheletro per la Cybathlon 2020. Il progetto in corso però ha poco a che fare con quello del team VariLed del Politecnico federale di Zurigo che ha partecipato nel 2016. L'esoscheletro attuale è stato sviluppato come progetto degli studenti. Un team misto composto dal Politecnico federale di Zurigo e l'Università di scienze applicate di Rapperswil sta ora ultimando il sistema robotico. Il sistema presenta due gradi di libertà. Su ogni lato sono presenti due motori flat brushless maxon per muovere ginocchia e anche. Questi motori forniscono fino a 600 W di potenza.

Otto Ineichen, Business Development Medical maxon: “Gli azionamenti degli esoscheletri devono essere soprattutto leggeri. È importante anche che l'altezza complessiva sia ridotta. Al contempo è richiesta però un'ottima densità di potenza e dinamica elevata, in quanto i motori devono cambiare frequentemente il senso di rotazione in modo molto rapido. Noi di maxon stiamo sviluppando una nuova piattaforma di motori concepita appositamente per il settore della robotica. Questi nuovi azionamenti si basano sul concetto degli EC-i frameless. Possono essere combinati con i riduttori adatti, a seconda dell'applicazione e dei requisiti specifici.”