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Esoscheletri, cosa sono, a cosa servono

I principali vantaggi di questi dispositivi in ambito industriale sono legati alla limitazione delle possibili situazioni di affaticamento del lavoratore e alla possibilità di prolungare la vita lavorativa di personale qualificato. Il progetto ESO-EAWS di Fondazione Ergo, Università Alma Mater Studiorum di Bologna, laboratorio di Ingegneria del Sistema Neuromuscolare (LISiN) del Politecnico di Torino, promosso da Iuvo, azienda spin-off della Scuola Superiore Sant’Anna e parte del gruppo Comau

09 Lug 2020

Rachele Sessa

Centro Studi Fondazione Ergo

Francesca Trento

Centro Studi Fondazione Ergo

Gli esoscheletri sono dispositivi indossabili, strutture meccaniche esterne che supportano uno o più giunti fornendo una certa interazione fisica con il soggetto che li indossa. Essi possono essere impiegati nell’esecuzione di molteplici attività, in quanto ne esistono diverse tipologie; gli esoscheletri possono infatti essere supporti per gli arti superiori, per il tronco, per la seduta o addirittura full body. Una distinzione importante è quella tra esoscheletri di tipo passivo (basano il loro funzionamento su sistemi puramente meccanici, per esempio le molle) e di tipo attivo (impiegano motori elettrici).

Esoscheletri, cosa sono, vantaggi dell’utilizzo in ambito industriale

I principali vantaggi determinati dall’utilizzo degli esoscheletri in ambito industriale sono legati alla limitazione delle possibili situazioni di affaticamento del lavoratore e alla possibilità di prolungare la vita lavorativa di personale qualificato. Nel lungo termine dovrebbero garantire un significativo risparmio in termini di spese mediche, congedi per malattia, riducendo quindi l’insorgere di malattie muscolo-scheletriche.

C’è un interesse crescente nell’industria verso l’uso di tecnologie robotiche, in particolare verso gli esoscheletri. Molte sono le aziende italiane interessate a sviluppare e sperimentare nei propri siti produttivi queste tecnologie. Nonostante se ne parli molto, gli esoscheletri non vengono ancora impiegati in modo sistematico sulle linee produttive degli ambienti industriali, molte aziende li stanno testando per brevi periodi o in contesti laboratoriali. In molteplici settori manifatturieri il lavoro manuale è ancora presente, nonostante l’avvento della tecnologia e dell’automazione e questo fa sì che i lavoratori siano esposti a carichi di lavoro fisici (dalla movimentazione dei carichi all’applicazione di forze). Gli esoscheletri si presentano quindi come un importante strumento volto a ridurre l’affaticamento. Si tratta di un mercato in forte espansione.

Esoscheletri, il progetto ESO-EAWS

L’introduzione di questi dispositivi potrà avere ripercussioni importanti, ad esempio in termini di adattabilità e usabilità, ci si interroga su elementi legati all’impegno cognitivo dell’operatore e all’impatto psicologico del suo utilizzo. A tal proposito ad esempio, di recentissima pubblicazione la guida dell’istituto francese INRS (Institut National de Recherche et Sécurité) ha recentemente pubblicato una guida destinata agli specialisti di salute e sicurezza sul lavoro, in cui viene definito un approccio metodologico per la valutazione e successiva integrazione degli esoscheletri.

Una delle maggiori sfide aperte dal mercato verso gli sviluppatori e produttori di esoscheletri è senza dubbio la quantificazione della riduzione del carico biomeccanico, riassumibile nella frase: “Come cambia il punteggio ergonomico con l’uso degli esoscheletri?”.

Ad aprile 2020 si è concluso il primo progetto di ricerca scientifica nato dalla collaborazione tra Fondazione Ergo, l’Università Alma Mater Studiorum di Bologna, il laboratorio di Ingegneria del Sistema Neuromuscolare (LISiN) del Politecnico di Torino e promosso da Iuvo – azienda spin-off della Scuola Superiore Sant’Anna, e parte del gruppo Comau, azienda leader, a livello globale, nella robotica e automazione industriale nato proprio con l’obiettivo di rispondere in maniera scientifica a questa sfida.

Il progetto ESO-EAWS ha preso il nome dai suoi protagonisti:

  • il sistema di misurazione EAWS (Ergonomic Assessment Work-Sheet), strumento nato per la valutazione ergonomica del rischio da sovraccarico biomeccanico, sviluppato per fornire una valutazione comprehensive del rischio e per essere usato in fase non solo di analisi ex post, ma anche e soprattutto ex ante, in fase di progettazione prodotto-processo.
  • Mate, esoscheletro passivo per gli arti superiori progettato da Iuvo e prodotto da Comau, leader mondiale dell’automazione industriale. La sua funzione è quella di assistenza nell’esecuzione di operazioni ripetitive o nel sollevamento di carichi.

I risultati del progetto consentono finalmente di mettere in relazione l’investimento economico in tecnologie indossabili a supporto del lavoro manuale con i benefici in termini di riduzione del livello di fatica e, conseguentemente, con il miglioramento della qualità del lavoro per gli operatori e il ritorno economico per l’azienda. Infatti, l’utilizzo dell’esoscheletro, in un campo di applicazione adeguato, comporta nell’immediato un miglioramento percepito come minor sforzo e minor fatica durante le ore di lavoro e, per le aziende che utilizzano il modello Ergo-MTM, una diminuzione del fattore di maggiorazione ergonomico (fattore designato per aumentare il tempo di riferimento di un’attività manuale, per far fronte a un maggior livello di fatica); nel lungo periodo, inoltre, una minore incidenza di malattie muscolo-scheletriche. Quest’ultimo punto, insieme alla riduzione del fattore di maggiorazione, è fondamentale per la riduzione dei costi sia per l’azienda sia per il sistema sanitario.

esoscheletro

La partnership di alto livello ha garantito sia la scientificità del progetto che lo sviluppo di una procedura di certificazione per gli esoscheletri industriali unica e focalizzata sul sistema EAWS.

Afferma Francesco Saverio Violante, presidente del Consiglio degli esperti della Fondazione Ergo – Università di Bologna: “Lo studio eseguito è un esempio virtuoso di valutazione indipendente, effettuata con rigorosi metodi scientifici, di un dispositivo progettato per ridurre il carico biomeccanico dovuto ad alcune attività lavorative. Più in generale esso fornisce una ulteriore dimostrazione dell’efficacia di una nuova generazione di dispositivi di assistenza al lavoro manuale”.

Lo studio si è articolato in due fasi. La prima, eseguita in laboratorio, è stata preceduta dalla definizione di un protocollo sperimentale a cura di un team di esperti della Fondazione Ergo, da Francesco Saverio Violante e dal LiSiN del Politecnico di Torino diretto da Marco Gazzoni.

Tale protocollo è stato successivamente applicato a dodici giovani volontari di età compresa tra i 20 e i 30 anni, a cui è stato richiesto di eseguire dei task (8 in posizioni statiche, 4 in posizioni dinamiche) al fine di misurare l’attività dei muscoli della spalla e degli arti superiori.

La fase successiva si è occupata della traduzione della variazione dell’attività muscolare osservata tra le condizioni con e senza esoscheletro in un indice di correlazione delle scale di valutazione EAWS del carico biomeccanico.

Questo primo studio ha registrato degli esiti significativi: fino a 30% di riduzione del punteggio per posture statiche e fino al 25% per movimenti dinamici della spalla. I risultati quindi confermano un effetto di riduzione del carico biomeccanico, misurato dal sistema EAWS, sia nelle posture statiche che in quelle dinamiche.

Il progetto si è concluso con la pubblicazione di una versione aggiornata di EAWS chiamata ESO-EAWS, la cui applicazione è condizionata all’utilizzo di un esoscheletro certificato da Fondazione Ergo. La procedura di certificazione corrisponde a quella progetta e impiegata in questo studio, di conseguenza, Mate rappresenta il primo esoscheletro certificato.

L’importanza del progetto può essere riassunta nelle parole di Simona Crea, advisor scientifico, co-fondatore Iuvo e ricercatrice della Scuola Superiore Sant’Anna: “Il progetto ESO-EAWS segna un passo importante nel campo della bioingegneria per le tecnologie indossabili: questo metodo permette per la prima volta – attraverso uno standard largamente utilizzato nel settore industriale – di quantificare l’impatto positivo derivante dall’utilizzo di sistemi esoscheletrici sulla biomeccanica degli operatori”.

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