ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
18-dic-2019
2018/2019
Camminare è un'azione complessa, non lineare e non periodica che coinvolge differenti discipline quali la biologia, la biomeccanica e la teoria dei sistemi. Nel caso di terreni irregolari, il problema diventa ancora più complesso. Sfortunatamente, la limitata letteratura a riguardo non permette uno studio estensivo di come il corpo umano affronti questi terreni. Ad ogni modo, si pensa che la cedevolezza delle strutture biologiche sia particolarmente utile in ambienti non strutturati.
Questo problema mostra tutta la sua complessità in caso di amputati d'arto inferiore e robot bipedi, i quali necessitano di un arto artificiale, parziale o completo. Tra tutte le sue funzioni, questo arto deve anche replicare le funzioni del piede, le quali sono molto importanti in questo contesto. Purtroppo, la maggior parte dei piedi artificiali disponibili oggigiorno sono poco più che semplici lamine, rigide o flessibili, ed anche i dispositivi più avanzati non sono indirizzati alla camminata su terreni sconnessi. Soltanto pochi esempi di piedi specificatamente progettati esistono, ma la loro efficacia spesso non è testata o misurata, e solitamente viene fornita soltanto una descrizione della loro struttura e funzione. Questa mancanza di dispositivi adatti accresce il divario tra le performance degli umani normodotati e quelle degli amputati e dei robot. Infatti, gli amputati d'arto inferiore sono soggetti ad un alto tasso di cadute, mentre camminare in ambienti non strutturati è molto difficile, se non impossibile, anche per gli umanoidi più avanzati.
Lo scopo di questa tesi è stato sia sviluppare che testare un piede cedevole e adattivo, chiamato SoftFoot, che migliori la stabilità e semplifichi la locomozione in queste condizioni. Prendendo ispirazione dal piede umano e dal prototipo precedentemente sviluppato da Piazza ed altri, il piede è stato completamente riprogettato. E' stato scelto un approccio modulare. Prima di tutto, il modulo è stato implementato in modo tale da lavorare nel piano sagittale e da soddisfare certi requisiti derivati dall'anatomia del piede e dall'analisi del cammino. Dopodichè, cinque moduli sono stati connessi in parallelo, perpendicolarmente al piano sagittale. Considerando tre tipi di connessione (libero, elastico e rigido), cinque diverse configurazioni di assemblaggio sono state ottenute da una selezione sistematica, fatta attraverso calcolo combinatorio e criteri d'esclusione.
Queste cinque configurazioni sono state testate e comparate, analizzando le loro proprietà statiche di adattabilità e stabilità. Per avere una comparativa completa, due configurazioni aggiuntive sono state testate: una consiste in un piede totalmente rigido e l'altra rappresenta un piede formato da un singolo modulo con le stesse dimensioni. Gli esperimenti sono stati fatti con un robot antropomorfo che applica una forza quasi-statica al prototipo, il quale è in contatto con una piastra d'alluminio. La validazione della procedura sperimentale ha mostrato ottima riproducibilità e ripetibilità, dimostrando la bontà e l'efficacia dell'approccio sperimentale. La forza applicata emula una massa virtuale, posizionata seguendo una griglia di punti, mentre diversi profili di terreno sono montati sulla piastra d'alluminio. In questo modo, è stata possibile una caratterizzazione punto per punto su diverse irregolarità del terreno, permettendo di trarre importanti conclusioni. La più importante ha invalidato un'assunzione formulata nel precedente lavoro su SoftFoot, ossia che, per date dimensioni, il piede rigido possiede la più grande regione stabile su terreno piano.
Concludendo, i risultati di questa tesi sono molteplici: il metodo concettuale che ha portato l'idea iniziale al prototipo finale, il prototipo stesso, la procedura sperimentale proposta e le conclusioni generali riguardanti la stabilità e l'adattabilità dei piedi adattivi. Tutti questi sono utili e gettano le basi per futuri progetti e sviluppi.
Walking is a complex, nonlinear and non-periodic task involving several disciplines such as biology, biomechanics and system theory. In case of irregular terrains, it becomes even more difficult. Unfortunately, the limited literature about this topic does not allow an extensive review of how the human body deals with such terrains. However, compliance of biological structures is thought to be particularly bene ficial in an unconstrained environment.
This problem demonstrates all its complexity in case of lower limb amputees and bipedal robots, which need an artifi cial limb, either partial or complete. Among all of its functions, this limb must also replicate the functions of the foot, which are very important in this context. Unfortunately, most of the nowadays available arti ficial feet are little more than simple, rigid or flexible, plates and even the most advanced ones are not targeted on walking on uneven grounds. Just few examples of speci fically designed feet exist, but their effectiveness is often not tested or measured, and only a brief description of their structure and function is usually provided. This lack of suitable devices increases the gap between the performances of able-bodied humans and the ones of amputees and robots. In fact, lower limb amputees are subject to a high rate of fall, whereas walking in unstructured environments is very difficult, if not impossible, also for the most advanced humanoids.
The aim of this thesis was to both develop and test a compliant adaptive foot, called SoftFoot, that improves stability and simpli es the locomotion in such conditions. Taking inspiration from the human foot and the proof-of-concept developed by Piazza et al., the foot was completely re-designed. A modular approach was chosen. Firstly, the module was implemented in such a way as to work in the sagittal plane and to satisfy certain requirements derived from the foot anatomy and the gait analysis. Then, fi ve modules were connected in parallel, normally to the sagittal plane. Considering three types of connection (free, elastic and rigid), five different assembly con figurations were obtained from a systematic selection, performed through combinatoric calculus and exclusion criteria. These five solutions were tested and compared, analyzing their static adaptability and stability properties. To obtain a complete comparison, also two additional confi gurations were tested too: one is a totally rigid foot and the other represents a one-module foot with the same dimensions. The experiments were performed with an anthropomorphic robot that applies a quasi-static force to the prototype, which is in contact with an aluminum plate. The validation of the experimental procedure showed good reproducibility and repetatability, demonstrating the goodness and the effectiveness of this experimental approach. The applied force emulates a virtual mass that is placed following a grid of points, whereas different ground profi les are mounted on the aluminum plate. In this way, a point-by-point characterization on different ground irregularities was possible, allowing to draw important conclusions. The most important one invalidated one assumption that was formulated in the previous work on SoftFoot, namely that, for given dimensions, the rigid foot has the largest stable region on flat ground.
Concluding, the outcomes of this work are multiple: the conceptual method that brought the initial idea to the final prototype, the prototype itself, the proposed experimental procedure and the general conclusions regarding the stability and adaptability of adaptive feet. All these results are useful and lay the foundation for future works and developments.