Dispositivi di assistenza tecnica: Combinazione di alta tecnologia e sport

Il Cybathlon 2024 è alle porte e il nuovo team RISE dell'Università Tecnica di Berlino sta lavorando duramente per mettere a punto il suo esoscheletro per paraplegici: vediamo insieme i progressi, le sfide e la collaborazione con i partner.

Normalmente, i giocatori di hockey rincorrono il disco sul ghiaccio della Swiss Arena di Kloten, nel Canton Zurigo, in Svizzera. Ma dal 25 al 27 ottobre si trasformerà nuovamente in un centro per l'innovazione tecnologica: il Cybathlon 2024 è alle porte.

Alla competizione internazionale organizzata dal Politecnico di Zurigo, persone con disabilità fisiche si sfideranno in discipline rilevanti per la vita quotidiana, supportate da sistemi di assistenza ad alta tecnologia. quest'anno si sono iscritte 77 squadre da tutto il mondo. Il team RISE (Research and Innovation in Student Exoskeleton Development) della Technische Universität (TU) di Berlino gareggia per la prima volta con il suo esoscheletro.

140 studenti coinvolti nell'esoscheletro

"Il Cybathlon è sempre stato un sogno! Nell'ottobre 2022, insieme all'iniziativa studentesca 'Socially Engaged Engineers', abbiamo lanciato RISE come modulo pratico alla TU di Berlino per consentire alle persone con lesioni al midollo spinale di alzarsi e camminare", afferma Lukas Schneidewind. È capogruppo e assistente di ricerca presso il Dipartimento di tecnologia medica dell'Istituto di progettazione di macchine e sistemi della TU di Berlino.

Un totale di 140 studenti ha lavorato con entusiasmo per quattro semestri allo sviluppo e alla costruzione di un esoscheletro robotico. La maggior parte dei membri proviene da discipline ingegneristiche come l'ingegneria meccanica, l'ingegneria elettrica e l'elettronica, nonché l'ingegneria di controllo e la simulazione. Tuttavia, sono richieste anche conoscenze non tecniche: dalla biomeccanica all'interfaccia utente e all'esperienza utente, al design, agli aspetti psicologici, all'acquisizione di sponsor e alle relazioni pubbliche.

"Il lavoro transdisciplinaire è molto gratifiante"

"Il workshop del progetto ci permette di uscire dall'ambiente di insegnamento altamente focalizzato dell'università e di lavorare in modo transdisciplinare, proprio come accadrà in seguito nella nostra vita professionale", afferma Magnus Meyer, co-leader del team RISE e studente del Master in Fattori Umani alla TU di Berlino.

Il pensiero interdisciplinare è rilevante nel caso dell'esoscheletro per un altro motivo: dopo tutto, l'uomo è direttamente collegato alla macchina. Meyer descrive l'interazione con i piloti paraplegici come un momento importante, in quanto il team riceve un feedback diretto sulla facilità d'uso e sulla praticabilità del suo sviluppo.

Interazione diretta uomo-macchina

Durante i colloqui con le aziende e i potenziali partner dell'industria, gli studenti si sono subito resi conto della varietà del campo di applicazione degli esoscheletri. "Molte persone associano spesso gli esoscheletri alla semplificazione del lavoro, ad esempio per alleviare la schiena dei dipendenti sulle linee di produzione che seguono i movimenti dell'utente", afferma Magnus Meyer.

Meyer continua: "Nel nostro caso, tuttavia, non solo fornisce sollievo, ma come ortotesi motorizzata sostituisce completamente la forza muscolare delle gambe (muscoli dell'anca, del ginocchio e della caviglia) e guida gli arti in un movimento ergonomico." Lukas Schneidewind aggiunge: "Il fatto che i requisiti tecnici di un sistema di questo tipo, utilizzato per la deambulazion dei paraplegici, siano molto diversi da quelli di altri sistemi ha rappresentato e rappresenta tuttora una sfida importante per la comunicazione."

Un'altra sfida per il team RISE è quella di aggiornare costantemente i requisiti tecnici del sistema con i risultati delle sessioni di formazione. Per riprodurre in modo ottimale il movimento naturale della camminata con un esoscheletro e per poter controllare il centro di gravità durante la deambulazione, sono necessari ingranaggi e motori adeguatamente piatti e vicini al corpo.

Requisiti speciali per la tecnologia

Gli studenti hanno quindi installato nelle articolazioni dell'anca e del ginocchio azionamenti torque EC brushless senza telaio Dynamique di maxon nelle dimensioni 65 e 85 mm. I kit di motori BLDC con tecnologia a rotore interno sono stati sviluppati appositamente per le cosiddette articolazioni robotiche, ovvero per le articolazioni nell'ambiente della robotica.

Sono particolarmente potenti, robusti e compatti. "Forniamo questi nuovi azionamenti senza cuscinetti a sfera; l'utente ha a disposizione il rotore e lo statore", afferma Falko Simon, Area Sales Manager di maxon. E aggiunge: "L'azionamento raggiunge anche coppie elevate, fino a 300 Nm, necessarie per brevi periodi quando le persone sono in ginocchio o salgono su gradini alti. Questo lo rende perfetto per l'impiego nel Cybathlon"

Un'altra caratteristica particolare è che i motori maxon e i riduttori del produttore Ovalo, una consociata di Nabtesco Europe, formano un'unica soluzione. Falko Simon: "I riduttori hanno la cosiddetta forma a pancake e abbiamo integrato i nostri azionamenti DT nei riduttori. In pratica si tratta di un unico prodotto, e questo consente di realizzare un'unità estremamente piatta". Il clima di apertura e collaborazione ha permesso di trovare soluzioni concrete nel giro di poche settimane, afferma Lukas Schneidewind. Falko Simon aggiunge: "Gli studenti erano anche molto desiderosi di conoscere la nostra esperienza come partner industriale, il che è stato divertente"

Prospettive future: esoscheletro senza stampelle

Gli studenti sono attualmente nella fase finale dell'implementazione del software e dell'adattamento dei modelli di movimento individuali, prima che inizino le sessioni di allenamento finali con i due piloti per il Cybathlon. Guardando al futuro, il leader del team Schneidewind ha già obiettivi specifici: "Ora abbiamo una base iniziale, ma a lungo termine possiamo ancora ridimensionarci. Con un peso di circa 80 chilogrammi, l'esoscheletro è attualmente un sistema molto pesante, anche se può salire un gradino alto senza sforzo, ad esempio. Gli attuali sistemi non sono in grado di farlo senza aggrapparsi saldamente. Lavorare senza stampelle è il grande obiettivo"

Ma per ora il team non vede l'ora di partecipare al Cybathlon. "Se riusciremo a portare a termine alcuni dei compiti, avremo già ottenuto un grande successo - e questo in soli due anni, mentre altre squadre hanno lavorato per oltre dieci anni"

Copyright delle immagini: Christian Kielmann