L’esoscheletro Harmony SHR di Harmonic Bionics, grazie ai motori maxon, può eseguire un’ampia gamma di movimenti.

L’azienda texana Harmonic Bionics si è affidata a maxon per i componenti con cui ha realizzato gli attuatori dell’Harmony SHR, un esoscheletro per la riabilitazione degli arti superiori.

di Giovanni Invernizzi

Li chiamano esoscheletri e a buon diritto possono essere definiti robot indossabili. Possono essere portati sul torso o sulle gambe, per amplificare la nostra forza fisica, per esempio consentendoci di sollevare pesi elevati o di lavorare con le braccia sollevate senza stancarci. Ma uno degli utilizzi in cui si stanno rivelando particolarmente promettenti è quello della riabilitazione di persone che soffrono di limitazioni nell’uso delle braccia, conseguenti a incidenti, a infarti o a ictus. In questo campo lavora anche la società texana Harmonic Bionics che ha sviluppato un esoscheletro bilaterale per gli arti superiori chiamato Harmony SHR^™.

Il controller ESCON di maxon costituisce un’integrazione compatta e potente all’esoscheletro Harmony SHR. ©Foto: maxon

ESIGENZE PARTICOLARI

Harmony SHR può essere impiegato subito dopo il danno subito dal paziente e consente di eseguire sequenze di esercizi funzionali e di terapie basate su obiettivi per migliorare l’efficienza e l’efficacia della riabilitazione della parte superiore del corpo. È stato progettato per fornire tre aree di applicazione, in particolare: la ricerca nelle neuroscienze e nella scienza del movimento, la valutazione dei disturbi del movimento e la riabilitazione.

Harmonic Bionics per semplificare la progettazione lo ha realizzato scegliendo componenti standard “off-the-shelf” (COTS) che ha integrato negli attuatori robotici, che dovevano rispondere a due esigenze: avere dimensioni ridotte con un rapporto ottimale tra carico e peso ed erogare la coppia massima possibile pur garantendo stabilità e affidabilità. Per rispondere a queste esigenze, i bracci di un esoscheletro sono sostanzialmente diversi da quelli industriali, che non hanno la necessità di interagire in modo sicuro a contatto con le persone. Harmony SHR è invece sensibile alla pressione e viene controllato dagli input di forza trasmessi da chi lo indossa invece che dai setpoint di posizione tipici della maggior parte dei robot industriali.

LA SCELTA DEI COMPONENTI

Per assistere i pazienti negli esercizi, è più importante per un esoscheletro applicare forze in modo controllato rispetto alla precisione nel posizionamento. Questa esigenza ha spinto Harmonic Bionics a sviluppare un attuatore robotico specifico e brevettato che utilizza una cella di carico meccanicamente isolata da qualsiasi altra forza estranea, in grado di percepire soltanto la forza esercitata dal giunto del robot su cui è montata, massimizzando così la precisione del rilevamento. Per realizzare questi attuatori, in particolare, l’azienda americana ha utilizzato prodotti maxon, come i controllori ESCON, di dimensioni compatte e facili da integrare, e i motori EC flat. “Abbiamo poi riscontrato”, spiegano i tecnici di Harmonic Bionics, “che anche il software era semplice da utilizzare. E tutti i motori erano corredati schede tecniche informative che ne hanno semplificato l’integrazione. Raramente abbiamo dovuto rivedere la nostra selezione di motori, perché le schede tecniche ci hanno aiutato a prendere la decisione giusta al primo tentativo”.

Il motore EC 60 Flat di maxon eroga una coppia elevata unita a una configurazione compatta. ©Foto: maxon

DUE TIPI DI ATTUATORI

Gli attuatori utilizzati nell’esoscheletro Harmony SHR sono di due tipi: rotativi, con rilevamento della coppia e della posizione angolare, utilizzati per assistere il movimento del paziente, oppure lineari, con feedback di posizione, utilizzati per ridimensionare il robot e adattarlo al paziente. Per fornire una valutazione oggettiva delle capacità di movimento del paziente il sistema integra poi oltre 80 sensori, che registrano le misurazioni fino a 2.000 giri al secondo, consentendo di controllare diversi parametri, tra cui l’ampiezza del movimento, la generazione di forza e il numero di ripetizioni.

In particolare, i motori EC flat, disponibili anche con sensori angolari, hanno dimostrato di fornire una coppia elevata in un sistema compatto adatto per le dimensioni ridotte dell’esoscheletro.

La scelta del motore EC 60 Flat è stata motivata anche dal fatto che il diametro esterno è simile a quello del riduttore Harmonic Drive. L’albero del motore EC 60 DC Flat di maxon è collegato al wave generator di un riduttore Harmonic Drive di taglia 17, che è stato scelto per le sue dimensioni assiali compatte e per l’elevata capacità di coppia. I riduttori Harmonic Drive hanno fornito gli alti rapporti di rotazione, il gioco ridotto e un’elevata capacità di coppia, come richiesto dall’azienda per il progetto.

UN DESIGN PER IL FUTURO

Gli attuatori utilizzati nell’Harmony SHR hanno un design consolidato. Harmonic Bionics ritiene improbabili cambiamenti futuri o modifiche dei componenti COTS, in particolare quelli prodotti da maxon, i cui motori DC sono estremamente configurabili. Così come sono disponibili versioni a gioco ridotto dei riduttori da utilizzare negli attuatori rotanti, oltre a combinazioni di motore DC brushed di piccole dimensioni con riduttore planetario per realizzare attuatori rotanti compatti. Insomma, maxon è stata in grado di fornire tutti i motori e i controllori necessari per l’applicazione, mettendo a disposizione di Harmonic Bionics un unico fornitore affidabile. ©TECN’É

Schema di assemblaggio del riduttore armonico.