3 La pedana TreT3
3.1 La Necessità
Nella cura delle affezioni dell’apparato locomotore è implicito il concetto di movimento che diventa funzionale per una corretta riabilitazione.
Le discipline mediche che, ciascuna in diversa maniera e sotto diversi aspetti, richiedono una rieducazione alla deambulazione sono Ortopedia-Traumatologia-Fisiochinesiterapia.
Nella prima si correggono le deformità sia in senso morfologico che funzionale e la cura si completa con il recupero degli apparati della locomozione attraverso la rieducazione al movimento.
Nella seconda occorre restituire forma, forza e funzione con la chirurgia ortopedica riparatrice e con la ginnastica che avviene con l’esercizio al movimento degli arti da recuperare.
La terza promuove la “terapia con il movimento” prevedendo momenti diversi i quali a loro volta richiedono metodologie e tecniche diverse.
Possiamo così distinguere :
a) cinesiterapia preventiva: ha come obbiettivo di prevenire affezioni morbose e si serve,
generalmente, di un’attività motoria a carattere soprattutto ludica;
b) cinesiterapia curativa o terapeutica: promuove il movimento con l’obbiettivo di attuare la
cura, ad esempio, di posture scorrette che possono riscontrarsi ad esempio nell’età infanto-giovanile.
In altre parole per rieducazione al movimento si intende:
1. rieducazione motoria quando si vuole ripristinare il movimento del segmento leso;
2. rieducazione funzionale quando, una volta conseguita la rieducazione motoria, si vuol
riproporre il segmento leso nella sua normale attività funzionale;
3. rieducazione propiocettiva quando si ricorre alla stimolazione di determinati recettori per
accelerare il miglior recupero funzionale a livello del segmento leso sommando l’azione di più muscoli che lavorano in sinergia.
3.2 Lo stato dell’arte
La riabilitazione all’uso di un arto offeso è pratica oggi effettuata da personale specializzato che, con attrezzi semplici e con manovre fisioterapiche, rieduca il paziente al controllo e all’esecuzione di determinati movimenti.
D’altro canto, come si può evincere da quanto esposto nel paragrafo precedente, nelle attività mediche inerenti alla riabilitazione esiste una particolare attenzione attorno a tutto quello che concerne il movimento in generale e la rieducazione locomotoria in particolare, facendosi di continuo più pressante, nell’attività fisioterapeutica, la necessità di utilizzare strumenti sempre più sofisticati che, oltre a consentire l’esercizio dell’arto offeso, consentano anche il controllo del movimento nonché l’entità degli sforzi in gioco, così da permettere al personale sanitario la messa a punto di una terapia personalizzata con evidenti vantaggi per l’utenza;
è per rispondere a queste necessità che si inquadra il progetto di una pedana orientabile, denominata TreT3, dotata di tre gradi di libertà che permetta l’esecuzione in stazione eretta e da seduto di esercizi terapeutici per l’arto inferiore sotto il controllo costante:
a) della configurazione raggiunta;
b) dell’entità del carico trasferito;
c) delle modalità di trasferimento.
La pedana TreT3 è parte integrante di una piattaforma fornita di opportuni sostegni che permettono all’utente di mantenere la posizione eretta mentre esegue gli esercizi riabilitativi.
Le attrezzature oggi come oggi a disposizione del terapista, quando non sono di realizzazione improvvisata o poco più che artigianale, non permettono una completa libertà di movimento agli arti inferiori e, se in alcuni casi questo viene parzialmente raggiunto, come nella pedana TCC1 di seguito brevemente descritta, non permettono un esercizio completamente passivo.
Di fatto oggi non esiste uno strumento universalmente valido per il trattamento di recupero della deambulazione che simuli il movimento degli arti inferiori e ne permetta un controllo.
Figura 1 Schema di un semplice apparato per l’esercizio terapeutico realizzato con una pedana ed un cilindro.
3.2.1 La pedana TCC1
Il dispositivo TCC1 è basato sull’utilizzo di una pedana costituita da un piano superiore oscillante rispetto ad un fulcro centrale solidale al basamento fisso;
il piano mobile può assumere tutte le inclinazioni desiderate rispetto al piano orizzontale;
fra il piano mobile, sul piano della pedana, e quello fisso, posto nel basamento, sono collocate quattro molle a torsione che hanno la funzione di creare una resistenza variabile alle rotazioni del piano mobile superiore.
Questo sistema consente di ottenere una variazione lineare della resistenza predeterminata ma non di mantenere la configurazione assunta senza l’azione dell’utente.
L’uso delle molle implica un comportamento, quand’anche regolabile, comunque lineare della piattaforma, inoltre può ingenerare problemi di sicurezza dell’apparato per il fatto che, eliminato il carico, la piattaforma ritorna immediatamente alla posizione d’equilibrio.
Figura 2 Schema del dispositivo TCC1 caratterizzato dall’avere le molle che controllano il movimento della pedana.
Altri dispositivi controllati elettronicamente permettono i soli movimenti di rollio e beccheggio frenati tramite motori elettrici a passi, ciò comporta la necessità di un pesante controllo in tempo reale della coppia frenante erogata e non permette di considerare la macchina come dissipativa.
3.3 La scelta della macchina dissipativa
Per macchina dissipativa si intende un dispositivo che non sia capace di movimento se non sotto l’azione dell’utente e che di questo dissipi l’energia investita nell’esercizio dello stesso movimento. Un tale dispositivo meccanico presenta i seguenti vantaggi:
a) è sicuro in quanto non può agire contro le intenzioni dell’utente, che nel nostro caso è in non
perfette condizioni di salute;
b) in quanto reattiva risponde commisuratamente all’azione dell’utente nei limiti delle
prestazioni richieste;
c) in assenza di azione esterna una macchina dissipativa rimane nella posizione raggiunta.
3.3.2 La scelta dei freni magnetoreologici
I fluidi magnetoreologici, ne esistono a base d’olio, gel o acqua, sono fluidi con particelle magnetiche in sospensione, in grado di variare la propria viscosità in presenza di un campo magnetico con tempi di reazione dell’ordine del millisecondo.
I freni magnetoreologici utilizzati in TreT3 sono capaci di opporre, senza riduzione, una coppia resistente di 6 Nm con basse tensioni d’alimentazione (parametro non trascurabile in una dispositivo ad uso medico) a fronte di un peso di 1.5 Kg e di un ingombro ridotto.
Vedi: “Documentazione Lord”
Anche prescindendo dalla decisione di realizzare una macchina intrinsecamente passiva, tali prestazioni non sono ottenibili con motori elettrici in analoghe condizioni.
3.4 Necessità conseguenti alla natura passiva della macchina
3.4.3 Trasparenza all’azione dell’utente
La natura dissipativa, e quindi passiva, della TreT3 se da una parte gioca a favore della sicurezza della macchina che è, intrinsecamente, non attiva, ha di contro che l’utente deve farsi carico della movimentazione degli organi meccanici senza che la TreT3 possa in alcun modo agevolarlo (per esempio compensando attivamente la propria inerzia) se non nella riduzione degli attriti al livello minimo consentito dai controlli.
In altre parole l’utente, nell’esercizio riabilitativo, deve vincere almeno l’inerzia della macchina che pertanto deve risultare tale da apparire accettabile all’utente.
Ridurre l’inerzia della TreT3 significa a) ridurne il peso;
b) concentrare la massa in prossimità degli assi di rotazione così da limitare i momenti di
inerzia.
È altrettanto importante che il movimento che l’utente compie sia “naturale” ovvero rispecchi la fisiologia del movimento del piede per questo si è cercato di avvicinare il centro di rotazione del moto di beccheggio vicino all’arco plantare così da ottenere un movimento di rototraslazione centrato a 40 mm al di sotto del piano di calpestio della pedana; un valore accettabile e difficilmente riconoscibile dall’utente che avvertirà una semplice rotazione in beccheggio e rollio della pedana.
3.4.4 La riduzione del peso
L’utente deve spostare meno massa possibile: la scelta dei materiali è stata guidata da questa necessità.
Per TreT3 è stato fatto ampio ricorso a profilati in leghe d’alluminio e materiali polimerici autolubrificanti riducendo l’uso di acciaio ad alta resistenza solo per la realizzazione dei perni.
Dove possibile si è preferito usare un cuscinetto a doppia corona di sfere della serie più leggera disponibile invece che due cuscinetti obliqui accoppiati.
La stessa scelta dei freni magnetoreologici come dispositivi frenanti è derivata dal rapporto coppia frenante/peso non ottenibili con motori non ridotti oltre che dalla convinzione di voler realizzare una macchina passiva.
piacevolezza d’uso, estetica.
3.4.5 Le disposizione delle masse
Con l’obbiettivo di facilitare l’azione dell’utente, nella progettazione di TreT3 è stata posta grande attenzione alla disposizione dei gruppi di riduzione in quanto questi costituiscono le parti più pesanti della macchina.
Il gruppo di riduzione del rollio è solidale alla parte fissa così che nel movimento della pedana ne venga trascinato il solo settore dentato;
i gruppi di imbardata e beccheggio, sebbene in posizione asimmetrica rispetto al piano di beccheggio, sono montati il più vicino possibile agli assi di rotazione ed al centro di gravità del telaio di beccheggio.
Lo stesso Telaio di Beccheggio è progettato in modo da essere il più vicino possibile al piano di calpestio col risultato di ridurre il raggio giratore d’inerzia del telaio rispetto agli assi di beccheggio e rollio.
È stato così possibile portare il baricentro del Telaio di Beccheggio in prossimità del centro geometrico della pedana e di farlo coincidere con il centro di rotazione della TreT3.
3.4.6 La cinematica e i centri di rotazione in relazione alla fisiologia
Come anticipato nel paragrafo precedente, la pedana può essere vista come una cerniera sferica, con i centri di rotazione dei tre assi coincidenti in un punto dell’asse centrale della pedana posto a 40 mm al di sotto del piano di calpestio.
Il piede dell’utente realizza perciò un moto di rototraslazione non dissimile al movimento fisiologico del passo, nel quale tutto l’arco plantare si deforma abbassando il centro di rotazione al di sotto del piano di calpestio.
Il movimento di beccheggio riveste maggiore importanza nella camminata, da qui la disposizione del Telaio di Beccheggio trasversale al piede che minimizza il momento d’inerzia relativo a quell’asse.
B L H
personale qualificato che provvede ad inizializzare la macchina e ad impostare i programmi di riabilitazione. Il paziente interagisce con la TreT3 tramite la pedana, che trasmette al meccanismo sottostante le azioni da dissipare attraverso le quali si attua la riabilitazione fisioterapica.
3.4.8 Sicurezza “intrinseca”
TreT3 si muove solo sotto l’azione dell’utente dissipando l’energia del movimento, è pertanto impossibile che reagisca contro l’utente. Inoltre la presenza di personale qualificato dovrebbe garantire un uso corretto del dispositivo ciononostante può accadere che si acceda o si faccia uso alla macchina in maniera difforme da quella prevista. In tal caso la macchina deve mantenere la posizione per impedire che l’utente perda l’equilibrio rischiando di farsi male.
3.5 Caratteristiche principali della TreT3
Massa totale TreT3: 21 kg;
Posizione del centro di rotazione 49 mm al di sotto della superficie di appoggio; Ingombri della pedana:
diametro: 545 mm
B= 772 mm H= 296 mm L= 545 mm
Momenti di Inerzia ridotti agli assi di rotazione della pedana: Imbardata 0.123 kgm^2;
Beccheggio 0.128 kgm^2; Rollio 0.410 kgm^2.
