Studio dell'interazione tra Sistema Muscoloscheletrico Umano e Dispositivi di Assistenza Robotici

Negli ultimi anni, la riabilitazione sfrutta sempre di più dispositivi robotici al fine di ridurre i costi e velocizzare il processo di recupero dei pazienti. Finora però, la maggior parte dei dispositivi disponibili sul mercato porta il soggetto a comportarsi in modo passivo, imponendo traiettorie preprogrammate ai pazienti. Un'ulteriore limitazione delle attuali tecnologie è l'incapacità di valutare accuratamente la dinamica dell'interazione tra il paziente e il dispositivo robotico. Tale interazione gioca un ruolo centrale nella mutua modulazione del comportamento dell'essere umano e del sistema robotico, che risulerà diverso rispetto a quello indipendente. In particolare, la predizione di questa interazione può fornire informazioni utili per migliorare sia il design dell'esoscheletro che il processo di riabilitazione. Questa tesi presenta la soluzione che propongo per lo sviluppo di un simulatore in grado di simulare dinamicamente il movimento che risulta dalla cooperazione dell'essere umano e del dispositivo robotico. L'idea principale su cui si basa questa soluzione è di decomporre il sistema in diversi livelli. La soluzione proposta è stata chiamata Multi-Level modeling approach ed è l'argomento principale di questa tesi. La decomposizione proposta si articola in tre livelli: Human, Robot, e Boundary. I livelli sono poi integrati in un unico sistema in cui ogni livello si occupa di rispondere a specifici problemi. Il livello Human rappresenta il soggetto che sta indossando il sistema robotico, ad esempio un esoscheletro per gli arti inferiori. Per raggiungere una collaborazione simbiotica tra il soggetto e l'esoscheletro, l'approccio deve includere le intenzioni del soggetto e monitorare i suoi sforzi per raggiungere il movimento desiderato. Conoscere le trasformazioni interne all'utente possono fornire importanti informazioni sulla modulazione dei parametri dinamici interni dovuti al dispositivo esterno. Il livello Robot si concentra sul sistema robotico indossabile che supporta i movimenti. L'approccio si propone di modellare sia i meccanismi del dispositivo che le strategie di controllo. Questo permette di testare diverse strategie di controllo per trovare quella che meglio si adatta agli specifici bisogni del paziente e alle sue caratteristiche. L'ultimo livello è il Boundary, che ha come obiettivo principale quello di modellare il meccanismo di trasferimento di energia meccanica, includendo anche le non idealità (come le forze dissipative), per riuscire a stimare accuratamente l'interazioni risultante. Diverse sfide sono emerse durante lo sviluppo del sistema complessivo, che sono state affrontate investigando diverse soluzioni, selezionando e validando la più promettente. Il primo problema è stato individuare una piattaforma software comune ai tre livelli in grado di riprodurre simultaneamente il loro comportamento dinamico. Tra i diversi software disponibili ho selezionato OpenSim perchè molto conosciuto e già usato per lo studio della dinamica del movimento umano. Anche se OpenSim è già testato nell'ambito biomeccanico, era necessaria un'ulteriore valutazione come simulatore per i livelli Robot e Boundary. In questo lavoro sono stati presentati quali analisi sono state compiute e i risultati ottenuti. I parametri dinamici interni dell'essere umano sono modulati ed influenzati dei dispositivi esterni. Ho quindi proposto di monitorare queste variazioni, prendendo in considerazione il comando neurale che viene inviato ai muscoli. Questo può essere eseguito misurando l'attività elettromiografica dei muscoli, cioè il potenziale elettrico generato dal muscolo quando viene attivato, prima della contrazione muscolare. Questi segnali possono essere usati come ingresso per un modello dell'apparato muscoloscheletrico umano al fine di calcolare il contributo del soggetto al movimento. L'uso di questo modello si rende necessario a causa delle relazioni non lineari tra gli EMG e le forze muscolari generate e quindi i momenti ai giunti. La stima delle forze di interazione che emergono durante la cooperazione uomo-robot può essere effettuata attraverso un modello di interazione che è fondamentalmente un insieme di modelli di contatto. A causa delle specifiche caratteristiche del nostro lavoro dedicato alla riabilitazione, questo modello di contatto richiede maggiori attenzioni. Per questo ho introdotto e validato una procedura per calibrare i modelli di contatto e migliorare l'accuratezza delle forze di interazione stimate. Uno dei problemi nell'usare i segnali EMG è che è necessario utilizzare degli elettrodi di superficie per acquisirli in modo non invasivo; questo però significa che la qualità dei dati raccolti è molto sensibile alla disposizione degli elettrodi e al loro decadimento, oltre che alle interferenze magnetiche e elettriche. In molti contesti, come la riabilitazione a casa, questo può costituire una forte limitazione. Una soluzione alternativa per evitare la misura diretta degli EMG è presentata in questo lavoro. L'idea è che per azioni ripetitive, che sono spesso di grande interesse nella riabilitazione, sia possibile sostituire la raccolta dati diretta con un modello degli EMG calibrato sul soggetto. L'obiettivo di questo lavoro è stato di proporre un approccio efficace per la stima delle iterazioni che emergono durante il movimento cooperativo uomo-robot. L'approccio Multi-Level Modeling, che è stato presentato in questa tesi, decompone questo problema complesso permettendo di sviluppare tutti i componenti necessari alla realizzazione di un sistema completo che sia in grado di raggiungere l'obiettivo finale.