Progettazione e sviluppo di un sistema automatico per prove funzionali di protesi transfemorali

Mankind has always used prosthesis in order to overcome the lack of inferior limbs; these devices have become advanced electromechanical systems with the advent of new technologies and therefore they require proper control systems. Unfortunately, the development of these systems is currently not supported by any test system, and it is then carried out through the help of the patients themselves, with all the safety, time and costs limits that this entails. Aim of this work is to develop an automated system that allows to avoid the use of people subjected to amputation in the development of new devices. The speci cations required for this test are obtained through the analysis of human walking and are composed of the kinematics of the human leg during walking and the forces exchanged between the foot and the ground. It is then designed a test machine that simulates completely the action of a leg during walking. It is composed by a system dedicated to the kinematic reproduction and by a system dedicated to the simulation of the fl oor and of reaction forces with the foot. The ground system is modelled numerically in order to develop the control and a prototype is realized using commercial products and parts designed ad hoc; finally a test campaign is carried out. After selecting a six-axis robot suitable to the needs, a multi-body simulation has been carried out using the software Matlab / Simulink and MSC Adams. This simulation integrates the two subsystems made more realistic by the experimental data. Finally, the results obtained are used to evaluate the efficiency test machine designed.

Per sopperire alla mancanza di arti inferiori l'uomo ha sempre utilizzato delle protesi. Con l'avvento delle nuove tecnologie questi dispositivi sono diventati sistemi elettromeccanici avanzati che quindi necessitano di sistemi di controllo adeguati. Purtroppo, lo sviluppo di questi sistemi, in particolare per quanto riguarda le protesi di ginocchia, al momento non è supportato da nessun sistema di test, e viene quindi eseguito tramite l'aiuto dei pazienti stessi, con tutti i limiti di sicurezza, tempo e costi che questo comporta. In questa opera ci si propone di sviluppare un sistema automatico che permetta di prescindere dalle persone soggette ad amputazione in fase di test. Le specifiche necessarie a questo banco di prova vengono ricavate attraverso l'analisi della camminata umana e sono composte dalla cinematica della gamba umana durante il cammino e dalle forze scambiate tra piede e terreno. Viene quindi ideato un banco di prova che simuli completamente l'azione di una gamba durante la camminata; esso è composto da un sistema dedicato alla riproduzione della cinematica e da un sistema dedicato alla simulazione del piano di appoggio e delle forze di reazione con il piede. Il sistema di appoggio viene modellato numericamente al fine di svilupparne il controllo, quindi ne viene realizzato un prototipo utilizzando prodotti commerciali e parti progettate ad hoc su cui viene effettuata una campagna di prove. Per quanto riguarda la simulazione del cammino viene selezionato un robot a sei assi adatto alle necessità; quindi si procede ad una simulazione multibody tramite i software Matlab/Simulink e Adams Msc che integri i due sottosistemi resi più realistici dai dati sperimentali. I risultati ottenuti vengono quindi utilizzati per valutare l'efficacia del banco di prova progettato.