Kid-Rollbot per la riabilitazione del cammino

La caratteristica saliente del nuovo Kid-RollBot è la riconfigurabilità, vale a dire la possibilità, desiderabile per un ausilio pediatrico, di potersi adattare facilmente alle caratteristiche antropometriche degli utenti, ovviamente variabili nel corso dell’accrescimento corporeo, ma anche alle caratteristiche funzionali attraverso un programma computerizzato, per cui è possibile modificare immediatamente requisiti di dinamicità o sensibilità di risposta allo stimolo rispetto al comando in entrata. La riconfigurabilità è una caratteristica desiderabile anche nella prospettiva di un impiego “istituzionale”, dove, al fine di ottimizzazione le risorse disponibili, è opportuno che dispositivo riguardi il numero maggiore possibile di utenti rispetto alle loro caratteristiche patologiche. Questo strumento è stato utilizzato sperimentalmente nel trattamento riabilitativo di alcuni bambini disabili, con l'obiettivo di aiutarli e facilitarli nel compito della deambulazione per traiettorie in linea retta e/o curvilinea attraverso un’interazione guidata tra robot e bambino (Coluccini et al, 2009).

Kidbot II è quindi un robot mobile progettato e realizzato per un utilizzo da parte di pazienti affetti da disordini del movimento e in particolare del cammino. Le principali caratteristiche del robot rappresentano la sintesi dei due progetti antecedenti che hanno portato alla creazione

rispettivamente del un sistema (Mobil) ad uso di pazienti anziani e del un sistema (Kidbot I) ad uso di pazienti in età pediatrica. Nel sistema robotizzato attualmente disponibile, Kid-RollBot, si riscontrano molte modifiche costituzionali e funzionali, apportate in conseguenza all’emergere di necessità di miglioramento dalla precedente sperimentazione. Tra le modifiche costituzionali troviamo una completa revisione della struttura del robot che ora si presenta più leggero e più maneggevole, meno ingombrante e più riconfigurabile sulla base della morfologia del soggetto che lo utilizza. Il robot diviene anche più sicuro, in quanto sono stati introdotti quattro sensori esterocettivi che controllano rispettivamente: la posizione delle ruote, la velocità (massima raggiungibile 50cm/s, con un’accelerazione massima di 25cm/s) e la stima della posizione di offset (zero) del ruotino anteriore in grado di sterzare di 45°. Si distingue quindi una sezione di

locomozione basata su tre motori elettrici indipendenti che controllano rispettivamente:

- la velocità delle due ruote posteriori di trazione;

- la posizione angolare delle ruote anteriori attorno all’asse di sterzata.

La sezione di adattamento dell’altezza della barra di controllo basata sull’utilizzo di una colonna telescopica a sezione rettangolare attuata elettricamente in grado di variare la propria elongazione fino ad un massimo di 30 cm (altezza minima da terra 71 cm, massima 101 cm).

Per la sensorizzazione sono presenti:

- Sensori propriocettivi: N°3 encoder differenziali per il controllo e la stima della velocità e

posizione delle ruote; N°1 sensore ad effetto hall per la stima della posizione di zero del ruotino anteriore;

- Sensori esterocettivi: N°1 Infrared Laser Scanner [NAV200 Sick, Laser class 1 (nessun pericolo

durante il normale utilizzo), 21 CF 1040] per la determinazione della posizione assoluta del robot in uno spazio operativo (dist.max 30 m) in cui siano stati inseriti almeno 3 markers (passivi). Tale stima è stata effettuata alla frequenza di circa 8 Hz.

- Sensori di input:N°1 sensore di forza-coppia a strain gage (AMTI MiniAmp Msa-6) a tre gradi di

libertà per la determinazione delle azioni che l’utente applica mediante le mani ad una barra di controllo. La frequenza di acquisizione è pari a 50 Hz. Il costruttore indica questo sensore come specifico per applicazioni relative a deambulatori, bastoni, stampelle.

8.2.1 Modalità di controllo di Kidbot

Kid-RollBot si migliora dal punto di vista funzionale offrendo sempre un supporto attivo alla deambulazione, ma adesso sulla base di tre diverse modalità di controllo, nel seguito denominate

di regolazione elettronica della velocità che agisce su due motori elettrici per l’impostazione delle velocità di rotazione di due ruote motrici, posizionate sul retro-treno del robot.

Modalità Diretta: velocità e angolo di sterzata del

sistema sono calcolate in funzione delle forze-coppie esercitate sulla barra di controllo; il sensore di forza coppia è posto in prossimità del baricentro G della barra di controllo. Le componenti di forza-coppia Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz sono acquisite alla frequenza di 50 Hz (Fig.8.1).

Figura 8.1: Kid-RollBot modalità Diretta Gli indici di dispersione di forza-coppia quantificano il “dispendio di azionamento”dell’utente.

Nell’ambito della modalità force-mode è allo studio una tecnica di analisi off-line finalizzata alla valutazione delle abilità dell’utente a seguire un percorso

template. Nella modalità di controllo diretto (Fig.8.2), l’interfaccia di ingresso che il bambino ha a disposizione per le attività di guida è costituita da joysticks isometrici bilaterali ovvero da dispositivi a barra, strumentati con sensori di forza a

strain gage. I sensori di forza misurano l’intensità delle

componenti di forza, in direzione anteriore e posteriore, applicate dal soggetto; dopodiché il sistema elettronico di regolazione della velocità utilizza tali segnali per determinare le componenti desiderate di velocità lineare ed angolare. Particolare attenzione è stata rivolta all’ergonomia dell’interfaccia, in modo da renderla di particolare facilità d’uso, così da permettere l’acquisizione di capacità di guida

sufficienti da parte del bambino in tempi rapidi. Figura 8.2: Kid-RollBot modalità Diretta

In questa modalità, il controllo della direzione e della velocità del mezzo sono ottenuti attraverso l’autonoma applicazione, al dispositivo di guida, di forze di intensità e direzionalità da parte del bambino.

Modalità Remoto: il moto del

sistema è interamente gestito da un operatore remoto. In tale

modo operativo è il

riabilitatore, mediante

un’interfaccia mobile basata sulla tecnologia del Personal

Digital Assistant (PDA) e delle wireless local area networks

(WLAN), a gestire i comandi necessari per muovere il robot

secondo, velocità e direzioni più opportune per le esigenze del bambino rispetto alla fase riabilitativa in cui si trova. In tale modalità, infatti, il bimbo segue le evoluzioni del robot, utilizzando la piattaforma come supporto fisico o come riferimento percettivo, ma senza essere, di fatto, coinvolto nella guida del dispositivo perché è l’operatore remoto a decidere la traiettoria dl sistema impartendo comandi di direzione di velocità mediante un sistema di input (touch screen, joystick,...)

Modalità Mirror: l’utente non è in contatto fisico con il sistema. Il movimento del sistema è tale da

mantenere costante la distanza e l’orientamento rispetto al busto dell’utente; l’utente indossa un indumento su cui sono stati posti due marker piani individuabili dal sistema laser scanner. Il movimento del robot è autonomo tale da mantenere costante distanza e orientamento rispetto al busto dell’utente. E’ allo studio una tecnica di path planning finalizzata alla soluzione di situazioni limite. Questa modalità di interazione è la più innovativa. In questa modalità il robot segue “a specchio” i movimenti del bambino attraverso un sistema di

riconoscimento da parte di un sensore specifico per il materiale catarifrangente, Infrared Laser Scanner [NAV200 Sick, Laser class 1, 21 CF 1040]attraverso il quale il robot si attiva, si muove. Il bambino, indossando una pettorina con strisce catarifrangenti, deve camminare all’interno dell’area sensibile del sensore, mantenendosi vicino, ad una distanza

regolabile, al robot e in una posizione eretta, senza preoccuparsi di azionare il dispositivo di guida per determinare il movimento del robot, se non per impostare curve o azionare la marcia indietro. In base a tale modalità, il bambino può muoversi liberamente, senza necessariamente avere un contatto fisico con il robot (Fig.8.3); in altri termini, il robot ha un comportamento reattivo, che gli permette di precedere il bambino ad una distanza predefinita, mantenendo automaticamente nel tempo una posizione ed una direzione di movimento coerente con la posizione e la direzione di movimento del

bambino stesso (interazione di prossimità). Il robot può essere usato, quindi, come piattaforma di supporto, qualora il bambino lo desideri, ovvero presentarsi al bambino come un riferimento percettivo, utile per il mantenimento dell’equilibrio posturale durante

le attività di deambulazione in linea retta, senza che questo debba comportare necessariamente il contatto fisico robot-bambino. La distanza bambino-robot richiesta per l’interazione di prossimità dovrà essere compatibile con possibili transizioni automatiche dalla modalità di controllo Mirror alla modalità di controllo diretto di tipo manuale, da permettere ogni qualvolta il bambino afferrerà il dispositivo di guida del robot.

Questa modalità di controllo, quindi, incoraggia il bambino a rendersi più autonomo durante il cammino ma nei tempi e modi a lui più confacenti.

Figura 8.3: Kid-RollBot modalità Mirror

Sarebbe infine da menzionare la modalità Autonomous mode: la traiettoria del sistema è calcolata sulla base della posizione iniziale e finale, sulla base della conoscenza della posizione degli ostacoli nel workspace e sulla base di vincoli temporali e cinematici.