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

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.