Exoskeleton

• Detto anche: robotic exoskeleton, powered exoskeleton, exosuit, wearable robot
• Categoria: Mechanical structure › Robot morphologies
• Tag: exoskeleton, wearable-robot, rehabilitation

Dispositivo robotico indossabile che aumenta forza, resistenza o mobilità umana agendo in sintonia con i movimenti di chi lo indossa.

Definizione

Un esoscheletro è un dispositivo robotico indossabile che si applica all'esterno del corpo umano e agisce in sintonia con i movimenti di chi lo indossa per aumentarne la forza, ripristinarne la mobilità o ridurne lo sforzo fisico. A differenza dei robot autonomi che operano in modo indipendente, gli esoscheletri sono sistemi con l'essere umano nel ciclo (human-in-the-loop), in cui la persona fornisce l'intenzione e il controllo di alto livello mentre l'esoscheletro fornisce un'assistenza motorizzata su giunti specifici.

Gli esoscheletri sono classificati in base alla regione del corpo interessata e all'applicazione. Gli esoscheletri per arto superiore assistono spalle, gomiti e polsi e si usano soprattutto in ambito industriale per ridurre l'affaticamento durante il lavoro sopra la testa o il sollevamento di carichi pesanti. Gli esoscheletri per arto inferiore azionano anca, ginocchio e caviglia, permettendo a pazienti paraplegici di stare in piedi e camminare o riducendo il costo metabolico per utenti normodotati che trasportano carichi pesanti. Gli esoscheletri a corpo intero combinano entrambi e sono sviluppati principalmente per applicazioni militari e industriali.

La sfida di rilevamento e controllo è particolare: l'esoscheletro deve rilevare l'intenzione di chi lo indossa e amplificarla senza contrastare i movimenti volontari né destabilizzare i naturali schemi di andatura. I metodi di rilevamento dell'intenzione comprendono la misura dell'attività elettrica muscolare (EMG), il rilevamento delle variazioni degli angoli articolari, la misura delle forze di reazione del suolo o l'uso di unità di misura inerziali (IMU) per percepire l'inizio del movimento. Le strategie di controllo vanno dalla semplice amplificazione proporzionale della forza a sofisticati controllori a impedenza che modulano l'assistenza in base alla fase del compito (ad esempio fornendo sollevamento durante la fase di oscillazione del cammino ma lasciando libero il movimento durante l'appoggio).

Le tecnologie di attuazione negli esoscheletri comprendono motori elettrici con riduttori armonici o riduttori planetari (alta densità di coppia), attuatori idraulici (massima forza erogata, usati negli esoscheletri militari), muscoli artificiali pneumatici (leggeri, cedevoli) e attuatori elastici in serie (SEA) (cedevolezza intrinseca per un'interazione sicura con le persone). La scelta dell'attuatore determina in modo fondamentale il peso dell'esoscheletro, i requisiti della fonte di alimentazione e la qualità dell'interazione.

Il settore spazia dalla riabilitazione medica (ripristinare il cammino in pazienti con lesioni del midollo spinale) all'ergonomia industriale (ridurre i tassi di infortunio sul lavoro), alle applicazioni militari (trasportare carichi pesanti su lunghe distanze) e ai dispositivi di assistenza per anziani (prevenire le cadute e consentire una mobilità indipendente).

Perché è importante

Gli esoscheletri sono uno dei modi più diretti con cui la robotica può migliorare oggi la vita delle persone. Per i 5,4 milioni di americani che vivono con una paralisi, gli esoscheletri per arto inferiore offrono la possibilità di tornare a stare in piedi e camminare. Per i 2,8 milioni di lavoratori statunitensi che ogni anno subiscono lesioni muscoloscheletriche, gli esoscheletri industriali riducono lo sforzo e i tassi di infortunio. Per le popolazioni che invecchiano in tutto il mondo, esoscheletri di assistenza leggeri possono prolungare l'autonomia di anni. A differenza dei robot completamente autonomi che sostituiscono il lavoro umano, gli esoscheletri aumentano le capacità umane: un paradigma che incontra meno ostacoli all'adozione e meno problemi etici.

Applicazioni principali

• Riabilitazione delle lesioni del midollo spinale: permettere a pazienti paraplegici di stare in piedi e camminare durante le sedute di terapia, migliorando la salute cardiovascolare e la densità ossea
• Lavoro industriale sopra la testa: esoscheletri per la spalla che riducono affaticamento e infortuni per i lavoratori impegnati in assemblaggi prolungati sopra la testa nella produzione automobilistica e aerospaziale
• Trasporto di carichi in ambito militare: esoscheletri a corpo intero che permettono ai soldati di portare carichi di 50-100 kg su lunghe distanze senza la penalità metabolica
• Riabilitazione dopo ictus: esoscheletri per arto superiore che guidano movimenti ripetitivi del braccio per favorire il recupero neurale attraverso l'apprendimento motorio
• Prevenzione delle cadute negli anziani: esoscheletri leggeri per l'anca che forniscono assistenza all'equilibrio e stabilizzazione durante il cammino
• Edilizia e logistica: esoscheletri di supporto lombare che riducono il carico sulla colonna durante il sollevamento e il trasporto

In pratica

L'EksoNR di Ekso Bionics è usato in oltre 300 centri di riabilitazione nel mondo per pazienti con lesioni del midollo spinale e ictus. L'esoscheletro per arto inferiore si fissa sulle gambe del paziente e fornisce flessione/estensione motorizzata di anca e ginocchio. Un fisioterapista imposta il livello di assistenza per ciascuna gamba in modo indipendente: dal movimento interamente guidato dal robot (per pazienti senza controllo volontario) a un'assistenza minima in cui l'esoscheletro completa il movimento solo se il paziente lo avvia entro una finestra di tempo. Celle di carico integrate nelle pedane rilevano lo spostamento del peso per avviare il passo, mentre le IMU rilevano in tempo reale gli angoli dei giunti. Studi clinici hanno mostrato che i pazienti che usano EksoNR raggiungono prima il cammino indipendente rispetto alla sola terapia convenzionale.

Idee sbagliate comuni

• Gli esoscheletri danno una forza sovrumana come nei film: gli esoscheletri attuali riducono soprattutto l'affaticamento e assistono i movimenti naturali anziché moltiplicare drasticamente la forza erogata; i vincoli di alimentazione e di peso limitano il livello di potenziamento
• Gli esoscheletri sono tute motorizzate ingombranti: le moderne exosuit usano tessuti morbidi e attuazione a cavi per ottenere dispositivi leggeri e flessibili, appena visibili sotto i vestiti
• Gli esoscheletri sono solo per persone con disabilità: il mercato commerciale più grande è quello degli esoscheletri industriali per lavoratori normodotati, che riducono infortuni e affaticamento sul lavoro
• Un unico progetto di esoscheletro va bene per tutte le applicazioni: gli esoscheletri riabilitativi, industriali, militari e di assistenza hanno requisiti fondamentalmente diversi in termini di peso, alimentazione, cedevolezza e strategia di controllo

Chi dovrebbe saperlo

• Ingegneri biomedici che sviluppano dispositivi riabilitativi e di assistenza
• Ingegneri meccanici che progettano sistemi robotici indossabili
• Specialisti di medicina del lavoro che valutano interventi ergonomici
• Fisioterapisti che integrano la riabilitazione assistita da robot
• Ricercatori di robotica che lavorano sull'interazione fisica uomo-robot

Tecnologie correlate

• Rilevamento EMG
• Attuatori elastici in serie (SEA)
• Muscoli artificiali pneumatici
• Controllo di impedenza
• Soft robotics
• Analisi dell'andatura

Progetti correlati

• OpenExo: Modular open-source exoskeleton for human augmentation and rehabilitation research
• Open-Source Leg: Open-source robotic prosthetic leg platform for research, with hardware and a Python SDK
• AirExo: Low-cost 3D-printed exoskeleton for robot teleoperation and in-the-wild data collection

Video

• Watch this robotic exoskeleton help a paralyzed man walk again: CNET
• The exoskeleton that helps people with disabilities walk: RAZOR Science Show

Wikipedia

• Esoscheletro (tecnologia)