Specifiche Tecniche

Le 3 articolazioni

Il nostro esoscheletro può essere essenzialmente suddiviso in tre parti che rispecchiano le tre articolazioni a seconda di dove avvengono i movimenti nella gamba: anca, ginocchio e caviglia.

Le prime due articolazioni del nostro esoscheletro garantiscono un movimento grazie a due motoriduttori i quali potranno aiutare il paziente nei movimenti principali per la camminata. Saranno azionati a seconda dei segnali di tentativo di movimento autonomo rilevati da un encoder rotativo e sensori elettromiografici. La caviglia invece è dotata di un sistema di movimento passivo in quanto non si muove autonomamente, ma si basa sull'attenuazione delle oscillazioni che compie a causa della camminata e fornisce un'ulteriore spinta al piede grazie a due molle poste in posizione opposta all'interno dell'articolazione che la riportano sempre al cosiddetto stato di riposo.

EXO L3G è fissato alla gamba tramite delle apposite cinghie a strappi rivestite da cuscini in ovatta che ammorbidiscono l'avvolgimento dell'arto. E' legato al busto grazie ad una imbracatura di sicurezza che garantisce il pieno controllo del prodotto ed evita scivolamenti. Inoltre per la sua struttura e conformazione non è richiesta alcuna particolare scarpa o abbigliamento da indossare dato che può essere tranquillamente indossato sopra i vestiti inserendo gli elettrodi dei sensori miografici all'interno del vestiario con gli appositi cavi.

Attrezzature e materiali utilizzati

Motoriduttore

MECCANICHE

Motoriduttori ad elevata coppia
Riduttore meccanico
Aste in alluminio che costituiscono la struttura portante dell'esoscheletro
Rivestimenti in plastica nelle zone delle articolazioni

Encoder rotativo assoluto

ELETTRONICHE

Trasformatore
Arduino Mega per controllare l'intera struttura
Encoder rotativi per rilevare il movimento delle articolazioni
Sensori elettromiografici per rilevare la contrazione del muscolo

I motori

I componenti principali di un esoscheletro sono i motori elettrici. La nostra scelta si è subito direzionata tra il mondo dei servomotori: semplici da usare, grande comunicazione con Arduino e soprattutto a prima vista adatti al nostro tipo di prodotto. Tuttavia eseguendo gli opportuni calcoli e ricerche (vedi grafico riportato) abbiamo osservato che non erano disponibili servomotori che avessero la coppia sufficiente a sollevare la gamba.

La scelta è quindi ricaduta sui motoriduttori, costituiti da un motore elettrico e un riduttore meccanico in grado di garantire un buon rapporto coppia - numero di giri.

Il riduttore

Come si può notare dalla curva Coppia [Nm] - Angolazione [ ° ] la coppia necessaria per alzare la gamba di 30° è di circa 30 Nm. Poiché il motoriduttore può fornire massimo 6 Nm utilizzando 4,5 A per le sue caratteristiche elettromeccaniche (vedi approfondimento) il riduttore è fondamentale per raggiungere la stabilità dinamica.

E' composto da due ingranaggi cilindrici a denti dritti di modulo 1 che creano un rapporto di di rapporto di trasmissione di 5:1.

La coppia verrà quindi moltiplicata di fattore 5.

Il dimensionamento è stato eseguito a flessione per un pignone in acciaio di 25 denti, diametro 25 mm e una ruota in acciaio di 125 denti, diametro 125 mm.

Successivamente sono stati dimensionati gli alberi in acciaio a flesso-torsione e la scatola che contiene il riduttore.

Arduino

Arduino Uno

Microcontrollore ATmega328
Memoria 32 kB
14 porte input/output digitali (6 PWM)
6 porte input/output analogiche
Tensione di alimentazione 5V
Tensione input limite 20 V
Corrente massima in uscita 40 mA

Arduino Mega

Microcontrollore ATmega2560
Memoria 256 kB
54 porte input/output digitali (15 PWM)
16 porte input/output analogiche
Tensione di alimentazione 5V
Tensione input limite 20V
Corrente massima in uscita 40 mA

A seguito del confronto sopra riportato abbiamo deciso di utilizzare Arduino Mega per le evidenti migliori prestazioni e specifiche. Utilizzando un programma pesante e necessitando di maggiori porte input/output per il controllo di motori e sensori è la scelta più opportuna.

Encoder rotativi

L'encoder rotativo assoluto è un dispositivo elettromeccanico in grado di indicare l angolo alla quale è posizionato in base a un segnale elettronico. Nel nostro progetto verrà utilizzato per conoscere l'esatto posizionamento delle due articolazioni (anca e ginocchio) in modo tale da comandare i motori e comunicare loro quando fermarsi o rallentare.

Sensori elettromiografici

Per attivare il movimento dell'esoscheletro è necessario capire quando il paziente ha intenzione di farlo. Per questo siamo ricorsi a sensori elettromiografici (EMG), ovvero sensori in grado di rilevare gli impulsi elettrici che attivano le contrazioni muscolari e di amplificarli attraverso un'apposita scheda. Quest'ultima collabora con Arduino per controllare i motori e attivare quindi l'intera struttura.