Lo scanner 3D Artec Eva viene utilizzato per sviluppare esoscheletri ergonomici

Un gruppo di ricerca in Belgio sta aumentando le capacità degli esoscheletri, personalizzandoli con l'aiuto delle scansioni 3D, il CAD e la stampa 3D.

Kevin Langlois, ricercatore presso la Vrije Universiteit Brussel (Università Libera di Bruxelles), ritiene che l'umanità sia alle soglie di una rivoluzione tecnologica che cambierà radicalmente il nostro modo di vivere. Kevin è membro del gruppo di ricerca Robotics & Multibody Mechanics (R&MM) research group dell'università, la cui principale area di attenzione è la robotica indossabile, come gli esoscheletri. Kevin ritiene che la tecnologia robotica di assistenza è una di quelle tecnologie che possono contribuire a mantenere sotto controllo i costi dell’assistenza sanitaria, perché contribuisce a mantenere le persone mobili, meno dipendenti dalle cure e riduce il rischio dei danni secondari dell'immobilità.

"Gli esoscheletri sono una realtà e fanno parte di questo imminente e fondamentale cambiamento", dice Kevin. "Questa tecnologia mostra risultati promettenti in pratiche di riabilitazione dei feriti, aumento della potenza umana e prevenzione dei rischi e assistenza nelle attività quotidiane".

Il MIRAD di R&MM, un esoscheletro alimentato di assistenza, dotato di ortesi regolabili

Nonostante siano stati compiuti notevoli progressi in questo settore di ricerca, c’è ancora un problema importante da risolvere: come ottenere una perfetta interazione tra un essere umano e il suo esoscheletro robotizzato? A livello meccanico, questa domanda si riduce a come ottenere l'assoluta adesione tra le due entità.

Non è così facile rispondere a questa domanda, dato che ogni persona è unica a livello antropometrico (ossia a livello delle dimensioni degli arti e le loro capacità) e biomeccanico (il modo in cui la persona cammina). Ciò suggerisce che c’è bisogno di una soluzione personalizzata per ogni singolo individuo.

L'esperienza di R&MM ha mostrato che le soluzioni già pronte non sono l'opzione migliore. Inizialmente, il gruppo ha iniziato la sua ricerca con l'acquisto di ortesi regolabili che erano attaccati al corpo tramite cinghie e staffe. Queste imbracature, però, si sono rivelate spesso inadeguate, risultando in prestazioni inefficienti dell'esoscheletro.

Una soluzione alternativa è utilizzare la scansione 3D per catturare l'anatomia individuale del soggetto e progettare un'ortesi che la replicasse alla perfezione. Nello specifico, le interfacce fisiche dell'esoscheletro sono state scansionate in 3D in quanto sono le connessioni meccaniche tra l'uomo e il robot. In questo modo è possibile ottenere una maggiore aderenza e aumentare la robustezza dell'esoscheletro senza compromettere il comfort dell'utente. A tal fine, il gruppo ha acquisito lo scanner 3D ad alta precisione Artec Eva dal partner Artec Gold 4C Creative CAD CAM Consultants.

"Attualmente la ricerca in questo settore è poco sviluppata. Finora la maggior parte delle ricerche è stata incentrata sulle basi di queste macchine, l'azionamento e il controllo. Ora è arrivato il momento di integrare l'uomo in questi sistemi ", dice Kevin. "Di conseguenza, presso il laboratorio R&MM abbiamo deciso di utilizzare la tecnologia di scansione 3D per sviluppare soluzioni innovative".

Un modello digitale di una coscia, ricostruita utilizzando lo scanner 3D Artec Eva

"Ora che usiamo Artec Eva possiamo progettare e produrre ortesi individualizzate che possono avere vantaggi rispetto alle normali ortesi regolabili", dice Kevin. "Lo scanner Eva fornisce un processo di scansione veloce (meno di 5 minuti) e preciso per compilare un'immagine digitale del paziente. Utilizzare questo dispositivo di scansione 3D per produrre ortesi richiede meno tempo e sforzo rispetto all'uso di uno stampo in gesso ".

Sulla base della letteratura biomeccanica si possono stimare i momenti, o forze, che devono essere trasferite alle articolazioni del soggetto (caviglia, ginocchio e fianco) per fornire assistenza durante la camminata, poiché l'esoscheletro MIRAD potenzia le articolazioni dell'anca, del ginocchio e della caviglia di entrambe le gambe. Oltre a queste informazioni e alla conoscenza delle soglie di pressione dolorosa (PPT), ossia della pressione massima che un uomo può sopportare su una regione anatomica specifica prima di provare il dolore, può essere progettato un prototipo ortopedico.

Una caratteristica fondamentale dell'attuatore è l'utilizzo di un elemento elastico sintonizzabile - una molla con pretensione variabile – unita a un azionamento elettrico. Le sue caratteristiche sono perfette per gli esoscheletri: immagazzinamento di energia, aumento della potenza di picco, tolleranza ai carichi d'impatto e bassa impedenza di uscita. Al contrario degli attuatori tradizionali "fissi" o "rigidi" - come gli azionamenti ad ingranaggi - questo attuatore consente di deviare in modo naturale la posizione di destinazione quando l’utente applica forze esterne.

"Lo scanner 3D Artec Eva ci permette di incorporare tutti questi parametri in un'ortesi compatta ed ergonomica", dice Kevin.

Scansione 3D della coscia di un soggetto presso il laboratorio R&MM

Per creare un’ortesi personalizzata, Kevin seleziona innanzitutto le aree da catturare, ad esempio la coscia. Poi seleziona uno o più soggetti sui quali verranno testate le ortesi. Questi soggetti vengono scansionati e i dati vengono elaborati nel software Artec Studio 3D.

"La creazione di un file .STL dalle scansioni è un processo semplice all'interno di Artec Studio", dice Kevin. "Il punto critico è raccogliere scansioni di alta qualità, per non lasciare buchi nel modello e per facilitare l'allineamento delle scansioni. Lo strumento Sharp Fusion unirà precisamente le scansioni e genererà il modello finale. Concludo che il software Artec Studio fornisce un'interfaccia intuitiva e strumenti potenti che consentano agli scienziati e agli ingegneri di eseguire ricerche nel campo della robotica indossabile".

Design digitale del prototipo ortopedico individualizzato

Dopo la post-elaborazione, il file .STL viene esportato nel software CAD, dove viene progettato un dispositivo ortopedico perfettamente calzante. La fase finale è quella di produrre l'ortesi usando la stampa 3D. Dopo che l'ortesi è stata stampata in 3D, viene rinforzata con fibre di carbonio e un composto epossidico.

L'utilizzo della scansione e della stampa 3D è particolarmente vantaggioso, a differenza dell'utilizzo di uno stampo in gesso, in quanto consente di salvare un file digitale. Avere una copia digitale è un vantaggio da una prospettiva di progettazione, in quanto consente al soggetto di integrare le esigenze dell'uomo con la progettazione del robot. Fornisce inoltre maggiore libertà sulle opzioni di produzione o manifattura dell'ortesi, consentendo l'uso di tecniche di produzione assistita computerizzata (CAM), come la stampa 3D. Ciò a sua volta può potenzialmente ridurre i costi e migliorare la qualità e l'applicabilità dei prodotti.

Attualmente sono in corso esperimenti per identificare i vantaggi di questo progetto. "L'obiettivo di questi esperimenti è quello di dimostrare l'efficacia delle ortesi individualizzate basate su una scansione digitale del soggetto", dice Kevin. "E un giorno, l'obiettivo sarà quello di permettere agli esseri umani di indossare un esoscheletro che sarà quasi invisibile agli altri e ad un certo punto, anche a chi lo indossa! La tecnologia di scansione 3D è uno strumento promettente per raggiungere questo obiettivo ".