Meccanica Magazine n. 4

Vincitori “Bando Ricercatori” 2020
ITA
Il progetto SBLINK, vincitore del “Bando Ricercatori” 2020 del
Dipartimento di Meccanica, ha come obiettivo principale quello di
sviluppare un prototipo di esoscheletro intelligente ispirato dalla
struttura ossea della regione lombare dell’uomo. La prima parte del
progetto si è focalizzata sullo studio della cinematica dei movimenti
tipici di sollevamento e/o spostamento di pesi. Inizialmente è stato
effettuato un questionario rivolto a lavoratori di diversi settori (e.g.,
settore sanitario, impiegati, etc.) dal quale si sono identificati i
movimenti più critici in termini di sovraccarico della spina dorsale e
sono stati poi condotti test funzionali in laboratorio sulla cinematica
dei movimenti target. In Figura 1 si nota il posizionamento dei
punti di riferimento (markers) sulla persona, che sono stati rilevati
tramite telecamere disposte sulle pareti del laboratorio di analisi del
movimento.
Il progetto SBLINK
L’esoscheletro intelligente ispirato
alla struttura ossea umana
Le immagini acquisite dalle telecamere sono state analizzate in
modo tale da tracciare la posizione tridimensionale dei markers
nello spazio che, insieme ai dati delle pedane di forza integrate
nel pavimento, hanno permesso di ricostruire la cinematica
e la dinamica dei movimenti target (Figura 2). Elettrodi per
l’acquisizione dei segnali elettromiografici sono stati posizionati
su gruppi muscolari di interesse per permettere la rilevazione
delle contrazioni. Questi studi, associati all’uso di software di
simulazione muscolo-scheletrica, hanno permesso di ottenere le
condizioni di carico trasmesso a livello lombare e di modellarle.
Sulla base della stima delle forze trasmesse sulla zona lombare, il
progetto SBLINK è entrato nella seconda fase, ovvero quella di sviluppo
di un nuovo concept di esoscheletro integrante le competenze e le
tecnologie dei ricercatori coinvolti nel progetto. La Figura 3 mostra
il concept attorno al quale SBLINK ha iniziato a prendere forma.
L’esoscheletro è strutturato in due parti: una anteriore caratterizzata
da due file di elementi base SBLINK che permette di aiutare l’operatore
durante la fase di flessione e una posteriore che si attiva in posizione
eretta contribuendo alla parzializzazione del carico e al mantenimento
della posizione quando l’operatore ha sollevato manualmente un
carico o semplicemente se deve mantenere la posizione eretta per
lungo tempo (es. medici durante un intervento chirurgico).
Gli elementi base dell’esoscheletro SBLINK sono stati progettati
in materiale metallico in modo tale da soddisfare i diversi requisiti
funzionali e dimensionali. Da questo punto di vista, la geometria di
SBLINK è parametrizzata, ovvero può essere realizzata sulla base
dell’operatore, ovvero sulla base della sua corporatura, peso, e
caratteristiche fisiche.
Gli elementi e la giunzione tra questi permettono la rotazione del
busto in posizione eretta in modo da garantire libertà di movimento.
Durante il progetto, sono state utilizzate tecniche di ottimizzazione
topologica per alleggerire la struttura garantendo l’opportuna
rigidezza e resistenza (Figura 4).
I primi componenti sono stati realizzati mediante stampa 3D in
acciaio inossidabile del tipo 316L, le cui caratteristiche ben sposano
le applicazioni biomedicali in interazione con tessuti biologici.
La tecnologia utilizzata è la BMD(R) di Desktop Metal disponibile
al Dipartimento di Meccanica (Figura 5). In questo processo, la
stampa si basa sull’estrusione di feedstock metallico: i componenti
vengono stampati sfruttando una miscela di polimero caricato del
materiale metallico che viene estruso per dar forma al componente
3D. Successivamente, il componente viene ripulito dal polimero
termicamente e sinterizzato in forno a 1360°C.