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Ottimizzazione del progetto biomeccatronico di una protesi di mano per la regolazione della forza di presa

Informazioni tesi

  Autore: Manuela Di Nicola
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2006-07
  Università: Libera Università Campus Bio-medico di Roma
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria biomedica
  Relatore: Eugenio Guglielmelli
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 194

Il tema trattato in questo lavoro di tesi è lo studio della stabilità della presa, dal punto di vista meccanico e funzionale, in una mano meccatronica sottoattuata per applicazioni protesiche. L’analisi della presa prende in considerazione sia la fase di moto di avvicinamento all’oggetto (comprensiva di reaching + preshaping) che la fase di presa stabile, cioè tale da mantenere l’oggetto senza scivolamento né deformazione o rottura.
Alla base della trattazione vi è un lavoro di ricerca bibliografica sulla struttura muscolo-scheletrica e funzionale della mano umana con accenno ai principi e alle caratteristiche della protesizzazione; un approfondimento tecnico e funzionale su alcune delle mani robotiche esistenti, con particolare riferimento alla Cyberhand su cui si baserà l’analisi meccanico-funzionale della presa stabile; una descrizione della mano commerciale Otto Bock Sensorhand Speed a cui si farà riferimento prevalentemente per l’analisi meccanica della stabilità di presa. La tesi infatti mette insieme l’esperienza teorico-sperimentale sulla analisi della presa della mano protesica Cyberhand, sviluppata alla Scuola Superiore Sant’Anna, con l’esperienza di stage che la candidata ha fatto presso la Otto Bock Italia e che le ha consentito di studiare il problema della stabilità dell’accoppiamento meccanico tra protesi e moncone ad opera dell’invasatura: al centro di tale analisi vi sono le richieste dei pazienti, incontrati nella sede della Otto Bock Italia, dove si è seguita la realizzazione di una protesi di mano su misura basata sulla nuova tecnica di invasatura a suzione tale da risolvere, almeno in parte, il problema della stabilità meccanica dell’invaso.
Lo studio della presa sulla mano Cyberhand ha invece avvicinato la candidata a problematiche di progettazione meccanica di una mano sottoattuata e di disegno di una strategia di controllo in grado di stabilizzarne la presa. Questo studio prevede una prima parte di sviluppo in CAD del modello della mano, implementazione di un sistema di controllo che garantisca un moto delle dita antropomorfo e quindi l’analisi integrata di meccanica e controllo per una ottimizzazione della mano ai fini di garantire la stabilità della presa di un oggetto cilindrico. Essendo le cinque dita della Cyberhand tra loro identiche, si è progettato il sistema di controllo parallelo forza/posizione sul singolo dito medio. Questa scelta consente di semplificare lo studio della presa, analizzandola nel 2D, per poi facilmente estenderla al 3D e alle altre dita strutturalmente analoghe al medio. Alla base di questa struttura di controllo vi è un modello matematico per la definizione delle massime forze di presa esercitabili in una presa palmare di un oggetto cilindrico, al fine di avere una presa stabile, in funzione delle caratteristiche meccaniche della mano e dell’oggetto scelto.
I risultati della simulazione numerica trovano convalida nella modellazione CAD 3D della mano protesica che mostra come il sistema segua il movimento antropomorfo e la dinamica di interazione studiati. L’analisi della stabilità di presa funzionale si conclude con considerazioni sull’ottimizzazione dei parametri meccanici della mano robotica, scelti in prima istanza pari a quelli ottimizzati per il solo task di pre-shaping. Sviluppi futuri di tale lavoro prevedono l’estensione del controllo realizzato al 3D, prendendo in considerazione il moto non planare di opposizione del pollice, l’ottimizzazione del disegno del pollice e l’estensione dell’approccio alle altre 3 dita.

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INTRODUZIONE  INTRODUZIONE      Ogni persona, nella vita di tutti i giorni, controlla, spesso in modo inconsapevole,  la sua motricità come, ad esempio, l’attività prensile. La possibilità di manipolare oggetti  o spostarli in modo preciso nello spazio, rappresentano azioni spesso ritenute semplici e  banali; in realtà non è così per le persone prive dell’elemento alla base di queste azioni: la  mano. La ricerca e l’industria hanno fatto passi da gigante negli ultimi 50 anni portando  alla  luce protesi  in  grado di  sopperire,  almeno  in parte,  alla mancanza di un  arto  così  importante, ovviamente il cammino verso un dispositivo  in grado di sopperire a tutte  le  necessità di un amputato è ancora molto lungo.   Il  presente  lavoro  di  tesi  nasce  dallo  studio  della  stabilità  della  presa  di  una  mano  protesica,  intesa  come  capacità  di  afferrare  un  oggetto  senza  che  questo  scivoli  o  si  deformi irreversibilmente, mantenendone la posizione scelta nello spazio. Tale fenomeno  è studiato da due punti di vista: meccanico e meccanico‐funzionale. Nel primo caso si fa  riferimento  all’accoppiamento  meccanico  tra  il  moncone  e  la  protesi;  nel  secondo  al  sistema di controllo che gestisce la mano protesica, al fine di distribuire correttamente le  forze  per  eseguire  una  presa  stabile.  Se  uno  dei  due  ambiti  presenta  carenze  si  compromette, in ogni caso, la stabilità dell’afferraggio.  Alla  base  dell’intero  progetto  vi  è  un  approfondimento  bibliografico  sulla  struttura  scheletrico‐muscolare della mano umana e  sulle  sue  funzionalità; una descrizione degli  approcci progettuali e delle  funzionalità di alcune delle mani  robotiche progettate negli  ultimi trent’anni; ma soprattutto un’attenta analisi di due dispositivi su cui si focalizzerà  questa  tesi:  la  mano  biomeccatronica  Cyberhand  e  la  mano  commerciale  Otto  Bock  Sensorhand speed. Queste due protesi saranno, infatti, i casi di studio di tale lavoro.  La  trattazione  parte  con  l’affrontare  il  problema  dell’accoppiamento  meccanico  tra  moncone  e  protesi  con  esplicito  riferimento  alle  esigenze  degli  amputati,  alle  loro  problematiche  e  speranze.  L’incontro  con  il  loro mondo  è  stato  possibile  grazie  ad  un  interessante periodo di stage svolto presso la Otto Bock Italia, sede di Budrio (BO), dove si  è affrontata la problematica dell’accoppiamento tra protesi e moncone e si è assistito alla  progettazione e realizzazione di una protesi di mano su misura con una nuova tecnica di  1

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