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Motori brushless nell'esoscheletro medicale

In medicina si contano più di 800 patologie neuromuscolari. Come suggerito dal nome, queste riguardano sia i nervi che i muscoli. Se in alcuni casi riguardano tutto il corpo, in altri interessano solo determinate parti del corpo. Fortunatamente, però, si tratta per lo più di patologie relativamente rare. Molti dei pazienti colpiti soffrono spesso di una forte limitazione della propria mobilità. Questo è dovuto al fatto che, sebbene queste patologie abbiano cause differenti ed evolvano in modi differenti, hanno tutte una cosa in comune: l’indebolimento dei muscoli (distrofia muscolare) spesso in forma progressiva.

«Se l’indebolimento muscolare colpisce le gambe camminare diventa prima sempre più difficile e alla fine impossibile senza un ausilio a cui appoggiarsi», spiega Mohamed Bouri, a capo del gruppo di ricerca Rehabilitation and Assistive Robotics (REHA Assist) del Politecnico Federale di Losanna (EPFL), in Svizzera. «I muscoli sono ancora funzionanti ma non riescono più a produrre una forza sufficiente a dare stabilità ai pazienti in piedi o a fargli muovere le gambe da soli. Questo naturalmente ha un fortissimo impatto sulla motricità e sulla qualità di vita del paziente. Gli effetti sono simili a quelli dell’emiplegia in seguito a un ictus. L’obiettivo che ci siamo prefessati era di superare il più possibile questi limiti grazie all’aiuto di un supporto motorizzato, sfruttando anche il contributo fornito dal paziente ai suoi stessi movimenti».

Assistenza parziale leggerissima

Il responsabile del gruppo di ricerca si riferisce agli esoscheletri convenzionali già in uso basati su una tecnologia ispirata agli umanoidi. Questi dispositivi permettono alle persone paraplegiche di camminare senza stampelle ma pesano più di 40 chilogrammi.

Con un peso di soli 25 chili, il sistema «Autonomyo» sviluppato da REHA Assist risulta molto più leggero e funziona coinvolgendo l’apparato muscolo-scheletrico del paziente che, per quanto indebolito continua in parte a funzionare.

Il dispositivo viene allacciato intorno al tronco con un corsetto e intorno alle gambe del paziente con dei collari. Su ogni lato sono presenti tre motori che forniscono l’energia che manca ai muscoli per muoversi. In entrambi i lati, un motore è responsabile della flessione e della distensione dell’anca e un altro per il ginocchio. Il terzo motore sostiene l’abduzione e l’adduzione della gamba a livello dell’articolazione dell’anca, ossia il movimento laterale della gamba che si allontana dalla linea mediana del corpo. Tutti e tre i motori insieme aiutano il paziente a restare in equilibrio e camminare dritti. In uno studio clinico condotto recentemente che ha coinvolto persone motulese, Autonomyo ha dimostrato di funzionare come previsto: l’esoscheletro forniva sostegno lasciando comunque libertà di movimento e seguendo le intenzioni del paziente. La mobilità articolare e l’andatura non sono state penalizzate.  

Motori brushless nell'esoscheletro medicale

Feedback del sistema di misura magnetico

È assolutamente vitale che il dispositivo assista l’andatura in base alle intenzioni del paziente. «Il primo impulso a cambiare posizione, e quindi a iniziare a camminare, si esprime con una leggera modifica della posizione dell’arto inferiore», spiega Mohamed Bouri. «Noi lo rileviamo combinando tra loro le informazioni fornite da un’unità di misura inerziale, dagli otto sensori di carico posizionati sulle suole e dagli encoder dei motori che fungono da sensori di posizione articolari. Tutti questi dati contribuiscono a mantenere l’equilibrio». Durante la camminata l’interazione tra il dispositivo e il paziente è cruciale. Un sensore di coppia sviluppato da FAULHABER ha il compito di rilevare questa interazione e, quindi, di attuare con precisione questa strategia di assistenza.

«Il progetto di integrare in un motore un sensore di coppia di precisione è iniziato qualche anno fa con l’obiettivo di migliorare applicazioni come quelle di cobotica (robotica collaborativa) e di interazioni uomo-macchina », spiega Frank Schwenker, a capo del team di Advanced Engineering di FAULHABER. «Grazie ad Autonomyo, per la prima volta siamo in grado di attuare questo sistema in un’applicazione di assistenza tecnologica complessa».

La tecnologia convenzionale per il rilevamento della coppia usa estensimetri a strisce applicati sui componenti; tali strisce vengono deformate dalla forza esercitata. In questo caso il punto debole costruttivo sta nell’adesivo che serve per il loro incollaggio. I ricercatori del team di Advanced Engineering hanno sostituito queste strisce con un sistema di misura ad alta risoluzione. «Questo ci permette di raggiungere uno scarto inferiore all’1,5% in un intervallo di misura di più o meno 30 newton‑metri », afferma Frank Schwenker. «Il sensore fornisce pertanto un valore molto preciso della coppia di reazione nel movimento di camminata».

Questo valore svolge un ruolo essenziale per il controllo dell’esoscheletro Autonomyo, che naturalmente riceve anche molti altri valori. «L’adattamento del dispositivo ai singoli pazienti richiede una calibrazione differenziata dell’intero sistema», asserisce Mohamed Bouri. «Sulla base dei vari parametri e del feedback di movimento, il software calcola i segnali di controllo degli azionamenti. Il tipo e il livello di assistenza da parte dei motori sono stabiliti sulla base di queste informazioni».  

Motori brushless nell'esoscheletro medicale
Introduzione all’uso per il paziente

Potenza di azionamento e potenziale di sviluppo

Le sei unità di azionamento totali installate in ogni dispositivo sono fornite da FAULHABER. Il loro componente principale è il motore brushless 3274 BP4 dal diametro di 32 millimetri. Nella sua categoria, questo motore offre la potenza maggiore tra quelli disponibili sul mercato. A trasmettere la sua potenza è un riduttore planetario 42 GPT dotato di un albero realizzato appositamente per questa applicazione. Un encoder magnetico IE3 fornisce al controllo i dati di posizione. Il sensore di coppia è integrato nei riduttori dei quattro motori per i movimenti di flessione e distensione.

I requisiti richiesti alle unità di azionamento sono quelli tipici per i micromotori di prima categoria. Potenza elevata con volume e peso ridotti al massimo, precisione, affidabilità e lunga vita utile fanno parte delle caratteristiche più importanti per questa applicazione. «Trovare il fornitore giusto non è stato partico larmente difficile», ricorda Mohamed Bouri. «Una volta stabilite le specifiche la cerchia dei motori tra cui scegliere era già ridotta a una piccola rosa di candidati. Il team di ricerca interdipartimentale di astrofisica della nostra università collaborava già con FAULHABER e ci ha fornito delle raccomandazioni convincenti, inoltre sussistevano già dei buoni rapporti. Per di più, FAULHABER era già in grado di sviluppare il sensore di coppia in un breve arco di tempo. Questo era un aspetto un aspetto molto importante per il nostro progetto».

Per il momento il componente non viene prodotto in serie bensì è stato realizzato solo in piccole quantità per il Politecnico EPFL di Losanna. Tuttavia, l’ingegnere di sviluppo Frank Schwenker immagina già tanti altri campi applicativi: «La misura di coppia ad alta risoluzione può apportare un grande valore aggiunto a tutte le applicazioni aptiche. Ad esempio, per tutti i tipi di assistenza robotica in sala operatoria dove il chirurgo guida lo strumento e la macchina controlla la forza e la precisione. Il sensore può anche assumere una funzione di protezione ed essere impiegato per limitare la coppia. Inoltre, è perfetto per i processi di documentazione nell’ambito del controllo di qualità in tutti quei casi in cui è necessario dimostrare valori di coppia estremamente precisi».

Prodotti

Servomotori C.C. brushless
3274 ... BP4
Tecnologia 4-poli
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Scheda tecnica (PDF)
Riduttori planetari
42GPT
Coppia elevata
Dettagli prodotto
Scheda tecnica (PDF)
Encoders
IE3-1024
encoder magnetici, uscite digitali, 3 canali, 1 - 1024 impulsi per giro
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Scheda tecnica (PDF)
Ulteriori informazioni

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