Un esoscheletro indossabile che integra realtà fisica e virtuale

Approfondiamo il progetto SIDE sviluppato da INAIL: un esoscheletro per dinamica simulata e interfaccia aptica che permette modalità innovative per la formazione dei lavoratori e per aumentare il livello di sicurezza degli operatori addetti ad effettuare interventi in ambienti di lavoro.

Il progetto SIDE – esoscheletro per dinamica simulata e interfaccia aptica nasce dalla necessità da parte di INAIL di individuare modalità innovative per la formazione dei lavoratori e per aumentare il livello di sicurezza degli operatori addetti ad effettuare interventi in ambienti di lavoro caratterizzati dalla presenza
di pericoli, e conseguenti rischi, gravi e specifici. L’obiettivo finale è, in particolare, lo sviluppo di un sistema integrato multisensoriale, che integra realtà fisica e virtuale (realtà mista), per l’addestramento dei lavoratori nei suddetti ambienti.

SIDE ha perciò sviluppato un esoscheletro per dinamica simulata e interfaccia aptica con la realtà virtuale (Virtual Reality – VR). Si tratta di un robot indossabile in grado di fornire al soggetto la sensazione di sforzo muscolare generato dagli oggetti che manipola nell’ambiente virtuale. Il dispositivo fornisce così un “ausilio” al soggetto che lo indossa, ma a differenza degli esoscheletri classici che si propongono come soluzioni volte a ridurre il carico fisico o limitare le posture incongrue
assunte durante l’attività lavorativa, in questo caso il beneficio che il soggetto riceve è quello di riuscire ad avere, anche in uno scenario virtuale, parte di quelle sensazioni fisiche alle quali sarebbe soggetto nella realtà. Ciò costituisce una valida soluzione a quella che di fatto costituisce una carenza di un percorso di addestramento mediante la sola “immersione” del soggetto nello scenario virtuale, nel quale non ci sono feedback delle forze in gioco e quindi il soggetto non riceve sensazioni fisiche reali. Lo scenario contestuale nel quale si è ideata l’applicazione del sistema è un ambiente ostile – come, ad esempio, un ambiente confinato e/o sospetto di inquinamento – in cui il lavoratore può trovarsi a svolgere un compito (task) con a disposizione un tempo – o una quantità di ossigeno – limitati. Grazie all’abilità pre-acquisita nel task motorio svolto in VR, si riesce ad ottenere una differenza fondamentale in termini di sicurezza.

Il progetto è stato ideato dal Laboratorio 4 Sicurezza impianti di trasformazione e produzione del Dit e sviluppato, mediante un progetto Bric con co-finanziamenti INAIL, in collaborazione con le Università degli studi di Roma La Sapienza (destinatario istituzionale del bric), l’Università della Tuscia, Unicusano e l’Università degli studi di Napoli Federico II ed è stata depositata domanda di brevetto no. 102023000023538.

Il prototipo

SIDE è un sistema robotico bi-articolare per arto superiore interfacciabile con sistemi di realtà virtuale o aumentata, in grado di riprodurre fisicamente quelle sollecitazioni “virtuali” di interazione di forza/contatto dell’arto superiore in un ambiente virtuale controllato, simulando interazioni uomo/ambiente tipiche di ambienti confinati e/o sospetti di inquinamento, ma la sua applicazione è estensibile in tantissimi altri ambiti. Le situazioni che il dispositivo può riprodurre sono ad esempio, il sollevamento di oggetti, la manipolazione di strumenti o macchinari, l’apertura o la chiusura di valvole, l’urto con elementi fissi, ecc. È costituito da un dispositivo robotico indossabile, fissato al corpo del soggetto attraverso un bustino e collegato con l’arto superiore in due punti dove trasferisce le forze per riprodurre il carico meccanico applicato alle articolazioni di spalla e gomito.

Il braccio robotico è formato da 4 motori, posizionati sui 4 giunti, e da 4 link. I gradi di libertà forniti dai 4 giunti permettono di applicare sollecitazioni (momenti) all’articolazione della spalla sui 3 piani anatomici, lasciando al soggetto la possibilità di effettuare altrettante rotazioni libere con la spalla nonché di sollevare l’articolazione glano-omerale senza impedimenti. L’ultimo giunto della catena cinematica permette di applicare un momento di flesso-estensione dal gomito, e permette allo stesso la medesima rotazione. Durante il suo funzionamento, il dispositivo applica una sollecitazione replicante quella che il soggetto avvertirebbe se stesse effettuando nella realtà l’attività che svolge in ambiente virtuale.

I prossimi sviluppi

Una formazione/addestramento efficace è fondamentale nella prevenzione degli incidenti sul lavoro. In prosecuzione con quanto realizzato, INAIL intende utilizzare il sistema SIDE per sviluppare un sistema integrato multisensoriale che integri realtà fisica e virtuale (realtà mista) per l’addestramento dei lavoratori in ambienti di lavoro caratterizzati da rischi gravi e specifici. La formazione dei lavoratori, specie se finalizzata ad addestrare a comportamenti sicuri in ambienti particolarmente sfavorevoli come un ambiente confinato e/o sospetto di inquinamento, deve essere progettata e realizzata tenendo conto non solo dei contenuti da trasferire ma anche dell’efficacia della loro acquisizione, ovvero delle abilità maturate nello svolgimento di tutte le possibili attività nei contesti specifici.

La ricerca INAIL del Laboratorio 4 Sicurezza impianti di trasformazione e produzione del Dit (BRIC ID 46) sta lavorando alla realizzazione di un sistema che sia in grado di “allenare” a comportamenti sicuri in contesti virtuali affinché il lavoratore sappia cosa fare e come farlo nei contesti reali. Il raggiungimento di tale obiettivo comporta, inderogabilmente, tenere in debita considerazione i fattori umani coinvolti nel processo di formazione/addestramento (memoria, attenzione, stress ecc) e gli stimoli ambientali che li influenzano. Questo significa che, nella fase di training, il lavoratore/discente deve affrontare i principali rischi nelle condizioni emotive e cognitive che potrebbero verificarsi nella realtà. Il sistema integrato multisensoriale dovrà, pertanto, integrare la realtà fisica e virtuale di un ambiente confinato e/o sospetto di inquinamento per fornire un’esperienza reale di utilizzo di questi spazi in condizioni operative normali e in situazioni di emergenza. Questo aumenterà notevolmente la sua capacità di reagire e rispondere alle situazioni di emergenza nelle modalità più sicure.