Joint-oriented control of a motorized prosthetic arm based on IMU sensors

Limb amputation has been, since the beginning of time, one of the most challenging limitation to overcome. The human body, as a whole, has to adapt to recover the loss functionalities. To overcome this limitation, prostheses have been developed trying to mimic, at the best of its possibility, the biological equivalent. Upper-limb amputation is one of the most common, but at the same time one of the hardest to manage due to the incredible complexity and dexterity of the human hand. Nowadays, prostheses are classified by their functionality, power-derivation and control strategy. The aim of this master thesis' project is to investigate the application of Inertial Measurement Units (IMU) in upper limb prosthesis to develop a shadow control system. The 5DoF prosthetic device is the emph{Hannes Arm}, the result of the collaboration between the ``Istituto Italiano di Tecnologia'' and the ``INAIL prosthetic center'' of Budrio. This device is the development of the Hannes Hand, a poly-articulated, under-actuated prosthetic hand able to restore up to 90% of human ability. This project aims at the classification of upper-limb movements only by means of spatial orientation extracted by the IMUs. The developed shadow control allows to demonstrate the reliability of the Hannes Arm in mimicking human natural movements. Moreover, the conceived setup proved itself to be a valid input for pattern recognition algorithms and data-fusion approaches, and to be applicable for teleoperation.

Le amputazioni sono, dall'inizio dei tempi, una delle sfide più difficili da vincere. Il corpo umano, in quanto sistema, deve adattarsi per recuperare le funzionalità perse. Per superare tali limitazioni, sono state sviluppate protesi con l'obiettivo di mimare, al meglio delle loro possibilità, l’equivalente biologico. L’amputazione di arto superiore è una delle più comuni, ma allo stesso tempo una delle più ardue da gestire, in virtù della complessità e della destrezza della mano umana. Al giorno d’oggi, con la speranza di sostituire l’arto perso, diverse protesi sono state sviluppate, tutte diverse in funzionalità, fonte energetica e controllo. L’obiettivo di questo progetto di tesi magistrale è di investigare l’applicazione di Unità di Misura Inerziali (IMU) su protesi di arto superiore, per sviluppare un sistema di controllo ombra. Il dispositivo protesico a 5 gradi di libertà (DoF) chiamato emph{Hannes Arm}, è il risultato della collaborazione tra ``l’Istituto Italiano di Tecnologia’’ e il centro protesico INAIL di Budrio. Questo dispositivo è lo sviluppo della Hannes Hand, una protesi di mano poli-articolata sotto-attuata capace di restituire fino al 90% delle funzionalità perse. L’obiettivo di questo progetto è la codifica dei movimenti di arto superiore solo attraverso informazioni spaziali estratte dalle IMU. Il controllo ombra realizzato permette di dimostrare l’affidabilità di Hannes Arm nel mimare i movimenti umani naturali. Inoltre, il setup costruito, si è dimostrato un valido input per algoritmi di pattern recognition e approcci di data-fusion, e applicabile con sistemi di teleoperazione.