Definizione e caratteristiche

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1 Esoscheletri

2 Introduzione Circa l 1% della popolazione mondiale si avvale di sedie a rotelle per muoversi. Con l invecchiamento della popolazione questo numero sta salendo vertiginosamente. Ciò significa che, approssimativamente, 3 milioni di americani, 5 milioni di europei, un totale di circa 10 milioni di cittadini dei paesi sviluppati e 60 milioni di persone nel mondo si affidano alla sedia a rotelle. La qualitàdelle sedie a rotelle èmigliorata enormemente nel corso degli ultimi decenni, ma la diffusione in commercio di esoscheletri potrebbe ulteriormente migliorare la qualità di vita di molte persone con disabilità motorie.

3 Introduzione Diversi produttori di esoscheletri stanno immettendo prodotti sul mercato. Camminare èfondamentale non soltanto per l ovvio miglioramento della qualitàdella vita ma anche per il miglioramento della salute delle persone affette da disturbi del movimento. Gli esseri umani non sono stati creati per stare seduti per ore.le conseguenze del rimanere seduti continuamente sono lesioni da pressione, muscoli delle gambe atrofizzati e l osteogenesi imperfetta. Tuttavia, l impatto dell uso della sedia a rotelle non èsolo dovuto allo stare seduti: per esempio, gli utilizzatori di sedie a rotelle pagano anche un alto prezzo solo per spingere le proprie sedie a rotelle. Coloro che utilizzano sedie a rotelle sono ad elevato rischio di sviluppare la sindrome del tunnel carpale o il disturbo degli arti superiori da lavoro (RSI) a causa del costante impatto delle mani contro i cerchi delle ruote.

4 Definizione e caratteristiche Che cos èun esoscheletro? Exoèuna parola greca che significa fuori. Contrariamente al normale scheletro umano che sostiene il corpo dall interno, un esoscheletro sostiene il corpo dall esterno. Gli esoscheletri sono normalmente progettati per permettere allepersone affette da disturbi del movimento di camminare o di aumentare laforza e la resistenza. Gli esoscheletri hanno 5 componenti chiave: Struttura Batterie Sensori Regolatore Attuatori

5 Struttura Realizzata normalmente con materiali leggeri, la struttura deve essere sufficientemente forte da sostenere il peso del corpo e il peso dell esoscheletro e dei suoi componenti. La struttura deve inoltre essere in grado di tenere il corpo in piedi in maniera sicura senza il rischio che colui che lo indossa possa cadere. La struttura saràformata normalmente da una serie di articolazioni corrispondenti alle articolazioni del corpo, presso l anca, il ginocchio e la caviglia.

6 Batterie Le batterie devono alimentare l esoscheletro per gran parte della giornata o essere facilmente sostituibili in modo tale che le batterie scariche possano essere velocemente rimosse e sostituite con batterie cariche nel corso della giornata. Le batterie devono essere leggere e piccole per non rendere l esoscheletro pesante o voluminoso. Le batterie devono inoltre potere essere ricaricate rapidamente per consentire all esoscheletro di essere pronto a funzionare di nuovo il giorno dopo.

7 Sensori I sensori raccolgono informazioni su come l utilizzatore vuole muoversi. I sensori possono essere manuali, come un joystick, o bioelettrici, oppure possono essere una combinazione di dispositivi come un telecomando e un rilevatore di movimento che permette a colui che indossa l esoscheletro di cambiare il movimento dalla camminata alla salita. Le informazioni raccolte dai sensori sono inviate ad un computer per essere analizzate.

8 Regolatore Agendo come il cervello del dispositivo, il regolatore èun computer interno che utilizza le informazioni raccolte dai sensori e controlla gli attuatori. Il computer coordina i vari attuatori presenti nell esoscheletro e permette all esoscheletro e al suo utilizzatore di alzarsi, camminare, salire o scendere.

9 Attuatori Se la struttura ècome le ossa del corpo e il regolatore èil cervello, gli attuatori sono i muscoli che guidano il movimento. Gli attuatori sono solitamente motori elettrici o idraulici. Sfruttando l energia delle batterie e le informazioni inviate dal computer, gli attuatori muovono l esoscheletro e la persona che lo indossa.

10 Controllo dell equilibrio e dell andatura La gran parte degli esoscheletri attuali non prevedono il controllo dell equilibrio o dell andatura. Gli esoscheletri odierni richiedono all utilizzatore di avere sufficiente forza negli arti superiori per far sìche l esoscheletro e l utilizzatore stesso non cadano. L equilibrio negli esoscheletri moderni ènormalmente controllato tramite l utilizzo di stampelle. Inoltre, la maggior parte degli esoscheletri attuali non imitano la normale andatura umana.

11 Controllo dell equilibrio e dell andatura L atto del camminare èstato descritto come caduta in avanti controllata. Ad ogni passo, portiamo il nostro corpo avanti e spostiamo l altro piede per fermarci e impedire al nostro corpo di cadere a terra. Il normale passo umano si sposta dal tallone al piede ed infine alla punta quando camminiamo. La nostra andatura cambia quando camminiamo avanti o indietro, saliamo o scendiamo una salita. Gli esoscheletri attuali non possono imitare queste funzioni e sono meno efficienti e comodi. Gli esoscheletri del futuro saranno sicuramente dotati di sistemi di controllo dell equilibrio incorporati, come giroscopi, che impediranno all utilizzatore di cadere e di sistemi di controllo dell andatura incorporati che imiteranno il normale movimento fisiologico umano.

12 EsoscheletroReWalk Prodotto da: Argo MedicalTechnologies (YokneamIlit, Israele) Significato del nome ReWalk: Consente all utente di camminare di nuovo. Il controllo dell esoscheletro ReWalksi basa su sensori di movimento. Tramite sofisticati algoritmi, i movimenti degli arti superiori sono analizzati e utilizzati per innescare e mantenere gli schemi di andatura e le altre modalitàdi funzionamento (quali, il salire le scale e lo spostamento da una posizione seduta ad una in piedi). In altre parole, l esoscheletro ReWalkpercepisce i movimenti degli arti superiori. I pulsanti su un telecomando permettono all utilizzatore di selezionare varie impostazioni di programma e di scegliere la modalitàdi movimento: camminare, salire le scale, sedersi, alzarsi ecc.

13 Peso: 18 kg ReWalk: altre caratteristiche Velocità massima: 3 km/h Durata della batteria: fino ad 8 ore al giorno di uso continuo. Si ricarica durante la notte. Movimenti: Camminare, alzarsi, sedersi, salire le scale, salire/scendere pendii. Stampelle: Necessarie durante l utilizzo dell esoscheletro ReWalk. Da chi può essere utilizzato : ReWalkèdedicato ad adulti con disabilitàagli arti inferiori che hanno mani, braccia e spalle funzionanti e lacapacitàdi stare in piedi (un sistema scheletrico e cardiovascolare sano). Altezza: cm; peso: non superiore a 100 Kg

14 EsoscheletroHAL Prodotto da: Cyberdyne(Ibaraki, Giappone) Significato del nome: HAL sta per "arto assistente ibrido". (Sia il nome della società"cyberdyne", che il nome dell esoscheletro "HAL" sono presi da computer fittizi. Cyberdyne era la societàche nella serie Terminator realizzò skynet). HAL era il computer di bordo della navicella DiscoveryOnein 2001: Odissea nello spazio. L esoscheletro "HAL" utilizza elettrodi attaccati alla pelle di colui che lo indossa per leggere gli impulsi elettrici provenienti dalla contrazione muscolare. In base ai segnali ottenuti, l attuatore viene azionato per spostare l articolazione unitamente al movimento muscolare dell utilizzatore.

15 Cybernic Voluntary Control (Bio-Cybernic Control System)

16 Cybernic Voluntary Control (Bio-Cybernic Control System)

17 Robotic Autonomous Control System A human motion (for example standing up from a chair) can be recognized as an aggregate of several elemental movements. It is similar to a sentence that consists of several words. For a given motion, "HAL" assembles small movements from the database, just as words from a dictionary are concatenated to form a sentence. Using the database (which is also automatically augmented by the information that sensors collect from the body) "HAL" autonomously coordinates each motion to be assisted smoothly by power units. Furthermore, in the case that no good bio-electrical signals are detectable due to some problems in the central nervous system or in the muscles, "HAL" can be of use through the Robotic Autonomous Control.

18 HAL: altre caratteristiche Peso: Tipo corpo intero 23 kg ; tipo arti inferiori 15 kg Durata della batteria: 2 ore e 40 minuti di funzionamento continuativo Movimenti: Alzarsi da una sedia, camminare, salire e scendere scale. Stampelle: Necessarie per l esoscheletro HAL Da chi può essere utilizzato : attualmente HAL èusato da persone con muscoli indeboliti e da alcune persone affette da disabilitàcausate da ictus e/o lesioni della colonna vertebrale.

19 EsoscheletroRex Prodotto da: Rex Bionics(Auckland, Nuova Zelanda) Significato del nome: Rex sta per Esoscheletro Robotico. A differenza degli altri esoscheletri Rex viene controllato tramite un joystick, non tramite sensori. Ciò significa che non ènecessario nessun movimento o funzionamento di nervi per azionare l esoscheletro Rex.

20 Peso: 38 kg Rex: altre caratteristiche Velocità massima: 3 metri al minuto. Durata della batteria: 2 ore Movimenti: alzarsi, camminare, muoversi lateralmente, girarsi, salire e scendere scalini e camminare su superfici dure comprese rampe e salite. Stampelle: Non necessarie. Da chi può essere utilizzato: da chiunque possa spostarsi autonomamente e utilizzare un joystick. Gli utilizzatori devono essere alti tra 1.46 m e 1.95 m 95, con un peso minore di 100 kg e una larghezza dei fianchi non superiore a 380mm.

21 Esoscheletro Ekso Prodotto da: Esko Bionics(Richmond, California, USA) Il controllo dell esoscheletro Eksoavviene attraverso sensori di forza e di movimento. L esoscheletro Eksoadotta un interfaccia uomo-macchina basata sulla gestualitàche, sfruttando i sensori, osserva i gesti compiuti per determinare le intenzioni ed agire conseguentemente. Per consentire all esoscheletro Eksodi funzionare naturalmente e rispondere agli input, un computer ricorre ai sensori e ai dispositivi di input per orchestrare ogni aspetto di un singolo passo in tempo reale.

22 Ekso: altre caratteristiche Peso: 23 kg Velocità massima: 1.6 km/h Durata della batteria: oltre 6 ore Movimenti: cammina in linea retta, si alza da una posizione seduta, rimane alzato per un lungo periodo di tempo e si siede da una posizionealzata. Stampelle: necessarie per l esoscheletro Ekso. Da chi può essere utilizzato: persone che possono spostarsi autonomamente da una sedia a rotelle ad una sedia e hanno un altezza tra 1.50 m e 1.90 m e un peso non superiore a 100 kg.

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