Analysis and optimization of Hannes prosthetic hand : a multi-body approach

Hand amputation greatly affects the ability of a person to perform Activities of Daily Living (ADL). For this reason, prosthetic hands should present anthropometric and functional characteristics to allow the manipulation of objects of different shapes and dimensions. These requirements are often difficult to translate in an ad-hoc design process of mechatronics components especially for a prosthetic application where multiple variables are very difficult to be studied and investigated from a bio-engineering point of view. This is the case of the Hannes prosthetic hand, an under-actuated myoelectric prosthesis where the actuation is provided by a single motor and the available sensors are particularly limited due to weight and cost constraints. In such a scenario, models are a powerful tool to decompose, and hence approach, a very complex mechatronic system into smaller sub-assemblies which appear to be easier to study. Other very important aspects which induce researchers to invest their efforts toward a modelling process are the time and cost reduction during the design and prototyping phase. The aim of our work was first the mechatronic analysis and optimization of the Hannes hand, and secondly, the implementation of novel control strategy capable of performing object stiffness recognition with the limited sensors information available on the device. In order to achieve these goals, a multi-body model of Hannes has been developed. The multi-body model was realized in the Simscape environment, developing all the mechatronic components of the prosthesis, ranging from the mechanical components to the actuation and the control system. To verify the correct operation of the different subsystems, an analytical analysis was performed. The whole behavior of the model, instead, was validated by means of experimental tests performed on the actual device. With this model, an estimation of the frictions, not quantifiable directly from the real prosthesis, was performed. A mechanical optimization of the mechanism responsible for the hand opening was proposed. Furthermore, the model was exploited to implement a stiffness-based objects recognition by using the only available information coming from the sensors already integrated within the Hannes system. The results showed how the implemented multi-body model is comparable to the Hannes prosthetic hand in terms of both kinematic and dynamic behaviors, indicating this tool as a valid substitution of the real environment. Particularly, the relative error percentage between Hannes closure time and model closure time was of +0.79%, meanwhile the relative error percentage between the two in terms of force exerted by the fingers on grasped objects was -16.7%. The proposed stiffness-based objects recognition implementation also provides promising results in terms of F1Score (>85%). These outcomes hence suggest a successful solution for a future real-time haptic feedback implementation directly on Hannes.

Le persone affette da amputazione trans radiale presentano difficoltà nello svolgere attività della vita quotidiana. Per questa ragione le protesi di mano dovrebbero presentare caratteristiche antropometriche e funzionalità adatte per permettere la manipolazione di oggetti di diverse forme e dimensioni. Questi requisiti sono spesso difficili da tradurre in un design specifico dei componenti meccatronici, specialmente nell’applicazione protesica dove studiare e investigare diverse variabili da un punto di vista bioingegneristico risulta complesso. Questo è il caso della mano protesica Hannes, una protesi mioelettrica sotto-attuata (l’attuazione è fornita da un unico motore) e sotto-sensorizzata a causa di limitazioni in termini di peso e costi. In questo scenario, i modelli risultano essere un valido strumento per decomporre un sistema meccatronico complesso in sotto-assiemi che si rivelano essere più semplici da studiare. Altri aspetti importanti che inducono i ricercatori a sfruttare un processo modellistico sono la riduzione dei tempi e dei costi durante le fasi di design e prototipazione. L’obiettivo del nostro lavoro è di analizzare e ottimizzare la meccatronica della mano Hannes e implementare una nuova strategia di controllo capace di riconoscere la rigidezza degli oggetti sfruttando solo le informazioni fornite dai sensori già presenti nel device. Per raggiungere questi obiettivi abbiamo sviluppato un modello multi-body di Hannes. Il modello multi-body è stato realizzato nell’ambiente Simscape, sviluppando tutti i componenti meccatronici della protesi, a partire dai componenti meccanici, al sistema di attuazione e il sistema di controllo. Per verificare la corretta implementazione dei diversi meccanismi abbiamo effettuato un’analisi analitica. Il comportamento complessivo del modello, invece, è stato validato tramite test sperimentali condotti sul dispositivo. I risultati mostrano come il modello multi-body implementato sia comparabile alla mano protesica Hannes in termini di comportamento cinematico e dinamico, indicando come questo strumento sia un valido sostituto del vero device. In particolare, l’errore relativo percentuale tra il tempo di chiusura di Hannes e il tempo di chiusura del modello è del +0.79%, mentre l’errore relativo percentuale tra le due in termini di forza esercitata dalle dita durante una presa è del -16.7%. L’implementazione del riconoscimento della rigidezza degli oggetti proposta presenta risultati promettenti in termini di F1Score (>85%). Questo risultato suggerisce come questa soluzione sia interessante per lo sviluppo futuro di un feedback aptico real-time direttamente su Hannes.