In una popolazione che invecchia la fragilità rappresenta uno dei temi di salute pubblica più rilevanti a causa delle sue implicazioni cliniche e sociali. La fragilità è considerata uno stato biologico età-dipendente i cui principali aspetti patofisiologici, quali la riduzione della forza e della massa muscolare (sarcopenia), associati ad un declino dell’integrazione sensoriale-motoria età-correlata, determinano una riduzione dell’attività del vivere quotidiano e contribuiscono ad una scarsa capacità del controllo posturale aumentando così il rischio di eventi clinici avversi come cadute, ospedalizzazioni e disabilità. Trovare strategie e tecnologie mirate alla stabilizzazione del soggetto anziano fragile, che tengano conto delle complessità del sistema dell’equilibrio e dell’andatura, significherebbe ridurre la vulnerabilità di tali soggetti e l’incidenza di disabilità e mortalità ad essa correlata. Il presente progetto è finalizzato allo studio e alla sperimentazione di dispositivi robotizzati di ausilio alla stabilità dell’equilibrio nella camminata di soggetti con limitata capacità motoria. L’architettura di ciascuno dei sistemi dovrà prevedere l’indossabilità nel rispetto dei vincoli fisiologici del soggetto. Si svilupperanno due diversi sistemi di ausilio alla stabilità dell’equilibrio, che saranno sperimentati e confrontati: a) un’ortesi bilaterale robotizzata per l’assistenza al cammino; b) un dispositivo robotizzato indossabile a spalla di tipo inerziale. Tali dispositivi richiederanno un Wearable Measurement Gait System (WMGS) per l’analisi quantitativa del cammino basata su wearable sensors, in grado di valutare e indicare situazioni di incipiente perdita di equilibrio e fornire i necessari input per i dispositivi robotici della stabilità. Il Progetto comprenderà uno studio clinico con follow-up eseguito su un campione rappresentativo di soggetti anziani sedentari con fragilità fisica esaminati da un equipe di geriatri della Geriatria dell’Università di Bari, con lo scopo di valutare, mediante un opportuno protocollo, i progressi ottenibili da “wearable robots” in termini di miglioramento dello stato di equilibrio e velocità dell’andatura. Il WMGS sarà sviluppato per l’analisi quantitativa del cammino. Esso sarà dotato di wearable sensors (sensori inerziali e solette baropodometriche). Le grandezze rilevate saranno sia cinematiche, sia dinamiche. L’intento è quello di realizzare un sistema che consenta l’analisi del cammino e della postura in ambienti anche non strutturati (domestico, studio medico) e per periodi di monitoraggio temporalmente più lunghi e con indagini ripetute frequentemente. La valutazione quantitativa strumentale del cammino mediante WMGS si baserà su MIMUs (Magnetic Inertial Measurement Units) costituiti da accelerometri e giroscopi triassiali applicati direttamente sui segmenti corporei. Oltre alla cinematica articolare (cinematica funzionale e range of motion), sarà possibile, mediante algoritmi specifici, ricavare anche informazioni sull’appoggio del tallone o sul sollevamento del piede per il calcolo dei parametri spazio temporali del ciclo del passo, con particolare attenzione ai parametri indicatori della necessità di interventi per il mantenimento dell’equilibrio. Tali algoritmi, già parzialmente sperimentati e validati nel caso di cammino fisiologico di soggetti dotati di normale mobilità, dovranno essere adattati e validati nel caso di soggetti anziani fragili a ridotta mobilità. L’analisi dell’equilibrio durante la situazione dinamica del cammino richiederà lo sviluppo di modelli specifici che, abbinati alle informazioni derivanti dai sensori MIMUs, consentiranno una valutazione dinamica dello spostamento del baricentro complessivo del soggetto e della sua posizione rispetto alla base di appoggio. A tal fine si prevede l’identificazione delle proprietà di distribuzione di massa del corpo mediante body scanner e la definizione di un modello del corpo umano multi-segmento con proprietà inerziali specifiche del soggetto. L’identificazione della posizione e dell’orientamento dei segmenti corporei, unitamente alle informazioni delle proprietà inerziali, consentirà di calcolare istante per istante la posizione del centro di massa del corpo durante il movimento di camminata. Le informazioni così ricavate consentiranno di affrontare lo studio del meccanismo di caduta, che tutt’oggi non è ancora stato chiarito, ma anche una valutazione prognostica dei deficit legati all’andatura, nonché la valutazione di un limite tra normalità e patologia dei meccanismi che sottendono l’equilibrio per la prescrizione di ausili per il cammino. Il WMGS sarà sviluppato tenendo conto che l’applicazione finale sarà destinata ad un’utenza non necessariamente tecnicamente preparata. Infatti, si intende promuovere un utilizzo esteso del sistema che dovrà essere indossato autonomamente dal soggetto per un monitoraggio continuo in ambiente domestico e non, e che dovrà essere diffuso anche in studi medici di base per la valutazione dei parametri spazio temporali del passo. L’ortesi bilaterale robotizzata per l’assistenza al cammino di anziani fragili sarà in grado di svolgere due principali funzioni: 1) iniettare energia nel ciclo di passo dell’utente in modo da rendere la sua camminata meno faticosa; 2) riconoscere in tempo reale il rischio di un’incipiente caduta e fornire potenza meccanica per riportare l’utente in una condizione di maggiore stabilità, migliorando l’equilibrio e aumentando la velocità del cammino. Per il conseguimento di questo obiettivo si partirà dai seguenti elementi disponibili presso il consorzio: - il prototipo denominato ?-APO (gamma-APO) attualmente disponibile presso l’UdR Scuola Superiore Sant’Anna (SSSA); ?-APO (gamma-APO) è un’ortesi bilaterale per l’assistenza della flesso-estensione dell’anca. Esso si interfaccia all’utente al livello del tronco e delle cosce. Il sistema è realizzato principalmente in fibra di carbonio, ha attuatori elettromagnetici con elementi elastici serie (architettura Series Elastic Actuation, SEA) per garantire un’interazione cooperativa tra l’utente e la macchina, ed è operato a batterie. Il peso complessivo del dispositivo è di circa 4.5 kg ed ha un’autonomia di circa 3 ore (Figura 1-a). Il sistema è in grado di fornire una coppia assistiva di picco pari a 22 Nm (10 Nm è la massima coppia continua). Il sistema di controllo è a bordo dispositivo e si basa su un’architettura di tipo reconfigurable input-output (RIO): grazie all’utilizzo di un processore FPGA, il sistema ?-APO (gamma-APO) può facilmente essere integrato con ogni tipo di sensore e/o dispositivo per l’analisi del cammino; - la piattaforma per la perturbazione del cammino SENLY disponibile presso la SSSA (Bassi Luciani et al., 2012; Figura 1-b); SENLY è una piattaforma meccatronica innovativa che grazie ai due treadmill mobili in tutte le direzioni dello spazio è capace di generare perturbazioni meccaniche al cammino inducendo reali ed inattesi cambiamenti posturali. In altre parole, la piattaforma SENLY può indurre il soggetto a cadere dando perturbazioni in tutte le direzioni su un piano orizzontale; SENLY è connessa ad un sistema di cattura del movimento così da permettere la registrazione in tempo reale della cinematica e dinamica della caduta. Nell’ambito di questo progetto, in una prima fase, il sistema ?-APO (alpha-APO) (una precedente versione non portabile del sistema ?-APO (gamma-APO) che è equipaggiato con un controllore molto più potente ed è alimentato a cavi) sarà interfacciato con il WMGS descritto in precedenza. Successivamente con il sistema ?-APO (alpha-APO), la piattaforma SENLY e il WMGS saranno condotti una serie di esperimenti con anziani robusti volti a: i) verificare quali variabili relative alla cinematica e dinamica del cammino possono essere le più informative per una robusta identificazione del rischio di caduta in tempo reale; ii) identificare una strategia ottima per mitigare il rischio di caduta attraverso l’erogazione di una coppia di assistenza alla flesso-estensione dell’anca; iii) identificare una strategia ottima per integrare algoritmi di prevenzione del rischio di caduta con algoritmi di assistenza al cammino. In una terza fase, i risultati precedentemente raggiunti saranno il punto di partenza per integrare gli algoritmi sviluppati sul sistema ?-APO (gamma-APO), che sarà quindi utilizzato per condurre la sperimentazione clinica con gli anziani. Il sistema di attuazione delle ortesi bilaterali robotizzate è dichiaratamente un aspetto fondamentale della progettazione, in quanto da esso dipende la loro stessa efficacia e la loro portabilità. In questo progetto sarà sviluppato uno studio riguardante l’individuazione di innovative powertrain a recupero di energia da impiegare nell’articolazione di ginocchio, anca e caviglia. In particolare si valuteranno powertrain che includono azionamenti elettrici accoppiati a mini-volani e variatori continui di velocità. L’accumulatore di energia cinetica (mini-volano) ha lo scopo di provvedere ai picchi di potenza richiesti durante la camminata, consentendo al motore elettrico di operare all’incirca a punto fisso, con conseguente abbattimento della potenza nominale e incremento dell’efficienza. L’obiettivo è quello di ridurre la taglia e di conseguenza il peso e l’ingombro dell’azionamento, e di incrementare l’efficienza della powertrain aumentando così l’autonomia energetica del dispositivo. Il dispositivo robotizzato indossabile a spalla di tipo inerziale sarà sviluppato per contrastare sbilanciamenti nel piano frontale. La scelta e la progettazione funzionale del dispositivo saranno condizionate da numerosi fattori che ne influenzano l’efficacia, quali ad esempio l’ingombro, il peso, la sicurezza, la prontezza dell’intervento. Si valuterà l’efficacia di coppie stabilizzanti generate da due diversi sistemi: giroscopici e volanici. L’obiettivo del dispositivo sarà quello di generare coppie stabilizzanti, facendo operare in continuo transitorio il sistema azionamento-volano non appena il sistema di monitoraggio (WMGS descritto in precedenza) dovesse indicare un potenziale pericolo di caduta. I segnali derivanti dai sensori del WMGS saranno elaborati mediante algoritmi di modellazione, pattern recognition, feature extraction, feature reduction, clustering, inferenza, data-fusion e tecniche di ottimizzazione con ricerca di soluzioni di compromesso. Per quanto attiene al problema del controllo, la necessità di rispettare vincoli stringenti di natura fisica, tecnologica e di sicurezza, la presenza di incertezze e di fenomeni tempo-varianti, richiedono soluzioni algoritmiche innovative. L'obiettivo è quello di garantire adeguate prestazioni nell’inseguimento della traiettoria di coppia di riferimento in presenza di non-linearità e saturazione, con transitori veloci. Inoltre, la necessità di controllare dinamiche molto rapide e di consentire l’elaborazione della legge di controllo in tempo reale su hardware con ridotte prestazioni computazionali richiede la sintesi e l'implementazione di algoritmi che siano sufficientemente semplici. Pertanto, considerata la natura del sistema da controllare, saranno valutate, tra le altre, strategie di tipo Sliding Mode Control, Controllo Robusto, Preview Control: tali tecniche di controllo, anche beneficiando della conoscenza a priori del riferimento o della stima dei disturbi, si sono rivelate particolarmente efficaci per migliorare le prestazioni di inseguimento o la reiezione dei disturbi, pur in presenza di incertezze parametriche. Si intende inoltre esplorare la possibilità di impiego di reti neurali artificiali quale strumento di modellazione e controllo non-lineare, considerata la loro capacità di riprodurre con accuratezza arbitraria un comportamento dinamico di sistemi complessi descritto da dati osservati sperimentalmente. Si eseguirà una valutazione di massima delle prestazioni del dispositivo inerziale mediante un modello matematico biomeccanico del soggetto equipaggiato con il dispositivo. I risultati della simulazione consentiranno di valutare le caratteristiche di massima dei componenti del dispositivo. Si passerà quindi alla realizzazione del prototipo, per il quale dovrà comunque essere garantita la possibilità di modificare alcuni dei componenti, soprattutto quelli inerziali. La valutazione dell’efficacia del prototipo sarà infine effettuata attraverso prove sperimentali eseguite dapprima su adulti sani, sottoposti a sbilanciamenti mediante la piattaforma per la perturbazione del cammino SENLY disponibile presso la SSSA, e successivamente su soggetti con limitata capacità motoria