La mia ricerca, tra esoscheletri indossabili e automobili del futuro

L’interazione uomo-robot, in particolare l’interazione fisica per il supporto di forza, rappresenta una delle maggiori sfide per il futuro della robotica. In tale contesto rivestono un ruolo fondamentale gli esoscheletri.
Di Basilio Lenzo, Scuola Superiore Sant'Anna, Pisa - Assegnista di ricerca

Un esoscheletro può essere definito come un dispositivo robotico indossabile in grado di esercitare forze sugli arti dell’indossatore. È costituito da uno zaino e un determinato numero di arti robotici attuati, in grado di seguire fedelmente i complessi movimenti del corpo umano. Nello specifico della ricerca di cui mi sono occupato, un elemento fortemente innovativo applicato agli esoscheletri è la tecnica di attuazione, che utilizza motori elettrici in combinazione con elementi elastici, diversamente da quanto realizzato con soluzioni tradizionali. Questo metodo di attuazione consente di ridurre drasticamente il consumo energetico, in quanto confinato alle soli fasi di modifica dell’intensità della forza di supporto. Ad esempio, durante la movimentazione di un oggetto per il supporto della quale è sufficiente generare una forza costante in corrispondenza dei polsi/mani dell’utente, il consumo energetico è identicamente nullo per qualsiasi movimento o postura impartiti dall’utente.

Ulteriori vantaggi di questa tecnica di attuazione sono una drastica semplificazione del controllo del dispositivo, non richiedendo l’implementazione di sofisticati algoritmi e l’impiego di costosi sensori di forza, una maggiore sicurezza per l’utente e una significativa riduzione del costo degli attuatori. Infine, la nuova tecnica di attuazione ben si adatta ad una collocazione degli attuatori nello zaino del dispositivo (localizzazione remota rispetto ai giunti robotici) in modo da poter ridurre ingombri, pesi ed inerzia delle parti mobili. Complessivamente il lavoro di dottorato ha portato al deposito di tre brevetti a livello europeo e alla pubblicazione di numerosi articoli scientifici. Ma perché fare ricerca sugli esoscheletri? Due sono i settori sui quali ci focalizziamo:

  1. In ambito di supporto alla riabilitazione di pazienti, e assistenza agli anziani e ai disabili: la nuova tecnologia consente di migliorare significativamente il grado di indipendenza di vita di questi soggetti, migliorando il percorso riabilitativo e/o svolgendo in autonomia un notevole numero di attività quotidiane che necessitano di supporto fisico. Infatti, il World Health Organization stima in circa il 10% della popolazione i soggetti dipendenti da altri per ragioni di salute, spesso per insufficiente capacità motoria.
  2. In ambito industriale, l’adozione di esoscheletri per il supporto fisico al movimento in campo industriale, e in particolare, nel settore edilizio, consente di migliorare la sicurezza e la salute dei lavoratori, riducendo drasticamente l’incidenza delle patologie all’apparato muscolo-scheletrico derivanti dalla movimentazione manuale dei carichi (DLGS 81/08).

Infatti, secondo stime recenti della Comunità Europea, almeno 20 milioni di lavoratori soffrono di malattie all’apparato muscoloscheletrico derivanti dall’attività professionale. Per quanto riguarda l'applicazione nel settore della riabilitazione, numerose ricerche condotte sin dall’inizio degli anni ‘90 hanno ampiamente dimostrato i vantaggi della combinazione di tecnologie di realtà virtuale (da noi anche implementate) con dispositivi robotici per l’interazione fisica con l’uomo (come esoscheletri), nella valutazione oggettiva e nel trattamento terapeutico delle disabilità motorie, conseguenti a traumi di natura neurologica (es. ictus) e/o ortopedica, rispetto alle tradizionali pratiche manuali di riabilitazione fisica.

In sintesi, i vantaggi possono essere riassunti in una maggiore oggettività della valutazione della capacità motoria del paziente, in virtù delle misure dei parametri fisici (moto delle articolazioni e forze generate dal paziente) consentite da questi dispositivi e delle analisi a esse correlate (sinergie motorie), maggiore grado di motivazione del paziente a eseguire protocolli terapici coinvolgenti, in virtù della componente di realtà virtuale (serious game), maggiore flessibilità di implementazione e sperimentazione di protocolli terapici innovativi, minori tempi di recupero della capacità motoria, maggior numero di pazienti trattati a parità di terapisti impiegati. Più specificatamente, collaborazioni avviate da anni con centri di riabilitazione e cliniche universitarie nazionali, hanno dimostrato l’efficacia dei dispositivi sviluppati in questi anni dal laboratorio PercRo dell'Università Sant'Anna di Pisa.

Analogamente, nel caso degli esoscheletri per la movimentazione manuale di carichi, le attuali pratiche prevedono o nessun tipo di supporto fisico al lavoratore, con conseguenti sovraccarichi dell’apparato muscolo-scheletrico tali da pregiudicarne in modo significativo la salute nel lungo periodo, o una pletora di strumenti specifici che possono essere utilizzati solo in alcune fasi ben definite delle mansioni lavorative, con notevole aggravio dei tempi di esecuzione, a causa della necessità di predisporre opportunamente tali strumenti prima dell’utilizzo. Diversamente, l’impiego di esoscheletri per la movimentazione dei carichi consentirebbe un supporto flessibile, capace di adattarsi naturalmente a ogni tipo di mansione lavorativa, senza soluzione di continuità nella transizione dall’una alla successiva (si pensi ad esempio al caso del montaggio di un ponteggio con successive applicazioni di pannelli sulle pareti e sul tetto di un edificio).

Nel 2013 io ed alcuni colleghi abbiamo partecipato al Premio Marzotto 2013 con un'idea di spin-off universitaria che valorizzasse l'esperienza di ricerca ultraventennale nel settore degli esoscheletri del laboratorio PercRo dell'Università Sant'Anna. Abbiamo vinto i 250000 Euro del "Premio Impresa del Futuro": è stato un grande ed inaspettato traguardo, nonché il trampolino di lancio dell'azienda spin-off, denominata Wearable Robotics, che è stata costituita subito dopo la vincita del premio.

Ricordo con piacere quel periodo, nell'ultimo anno del mio dottorato, e il fondamentale aiuto dei miei colleghi, in particolare Alessandro Filippeschi. Il premio vinto con l'Associazione Marzotto ha consentito l'acquisizione delle licenze dei brevetti dall'università, lo sviluppo di una nuova versione di esoscheletro per braccio, l'ottenimento della certificazione ISO 9001 e l'avvio della procedura per l'ottenimento della certificazione CE, l'avvio della sperimentazione clinica.

Frattanto abbiamo venduto il primo dispositivo (l'ordine di grandezza è del centinaio di migliaia di euro) all'École Polytechnique Fédérale di Losanna (EPFL). 

Dal punto di vista delle risorse umane, oltre alla somma in denaro ci è stata data la possibilità di usufruire di vari percorsi formativi presso la Fondazione CUOA di Vicenza, con Master di alto livello (Project Management, Comunicazione e Marketing, Pianificazione strategica...). Il prossimo traguardo di Wearable Robotics sarà l'ottenimento, per i nostri prodotti, della certificazione CE per dispositivi medici. Inoltre, proseguiremo la sperimentazione clinica di un dispositivo prototipale attuato per la riabilitazione dell’arto superiore, in partnership con l’ospedale di Ginevra e quello di Pisa. Avrà anche un ruolo importante l'accordo commerciale che abbiamo appena chiuso per la distribuzione esclusiva - nel territorio di Hong Kong, Macao e Taiwan e comunque legata al conseguimento della marchiatura CE per dispositivi medici - del nostro esoscheletro per arto superiore ALEx; il partner locale (Deltason) acquisterà almeno due dispositivi ogni anno.

Nel frattempo, la mia voglia di arricchimento personale non è finita e questa volta mi ha portato fuori dall'Italia: all'inizio del 2015 ho colto l'opportunità di tornare ad approfondire il tema della dinamica degli autoveicoli, da sempre una mia passione, come ricercatore presso l'Università del Surrey, in Inghilterra, e poi come accademico strutturato (Senior Lecturer in Automotive Engineering) presso la Sheffield Hallam University a Sheffield.

La ricerca di cui mi occupo in Inghilterra è focalizzata su due aspetti fondamentali delle auto elettriche: efficienza energetica e sicurezza. Questo con una forte connotazione sperimentale abbinata a quella teorica: dai progetti su carta alla validazione sperimentale su prototipi in pista, una combinazione che per un ingegnere/ricercatore è molto bella e non sempre scontata. In particolare ho lavorato, nell'ambito del progetto europeo iCOMPOSE, su un prototipo di Range Rover Evoque con quattro motori elettrici indipendenti.

Riguardo l'aspetto dell'efficienza energetica, studiamo strategie che sfruttino al massimo la ridondanza di attuazione (ovvero il fatto di avere più motori del necessario) al fine di minimizzare i consumi elettrici del veicolo. Infatti, come noto uno dei più importanti ostacoli all'adozione di auto elettriche è l'autonomia energetica. Per quanto concerne la sicurezza, lavoriamo su tecniche di torque-vectoring, che permettono di esercitare un momento diretto di imbardata applicando forze diverse tra il lato destro e sinistro del veicolo, al fine di correggere il comportamento dell'auto in condizioni critiche per la sicurezza. Questa attività di ricerca ha portato a numerose pubblicazioni su riviste scientifiche prestigiose (come la IEEE Transactions on Industrial Electronics) e conferenze (EVS29 in Canada, ISECM6 in Scozia, VPPC2016 in Cina). Come ultimo punto, una riflessione personale: sarebbe bello un giorno poter contribuire più direttamente al mio Paese, facendo didattica e ricerca nel settore della meccanica applicata in un'Università italiana, in un gruppo di ricerca che si occupi di dinamica del veicolo, controllo e robotica.

 


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