Enhancing hand prostheses: integrating shear force sensory feedback to improve control and user experience

Upper limb amputations, especially hand amputations, severely impair motor and sensory functions, by leaving the person dependent at daily activities, work, and personal life. Beyond physical limitations, amputees often suffer from profound psychological side effects, including altered self-image and emotional distress. Myoelectric prostheses offer a means to restore motor functions by translating muscle signals into movements; however, these devices often lack adequate sensory feedback, which is necessary for an intuitive control of the prosthesis. This deficiency in sensory feedback remains one of the primary reasons behind prosthesis abandonment with up to 44\% discontinuing use, especially during complex tasks. The primary objective of this work is to investigate the integration of advanced sensory feedback mechanisms, particularly shear force detection, into upper limb prostheses to enhance their functionality and user experience. The research comprises three different experiments aimed at exploring the benefits of enriched sensory feedback. The first experiment evaluated the effectiveness of incorporating shear force feedback alongside traditional normal force feedback in slip prevention tasks. Results demonstrated that the inclusion of shear force feedback significantly improved users’ ability to detect and react to slipping, reducing errors and enhancing prosthetic control. The second experiment focused on weight discrimination, assessing also the impact of training on task performance. Findings showed that participants could effectively differentiate between varying weights using vibrotactile feedback, and that training significantly enhanced accuracy, underscoring the importance of practice for optimizing sensory perception in prosthesis use. The third experiment examined directional feedback, revealing that users could accurately discern subtle changes in movement direction without extensive training, suggesting that directional cues provided by shear force feedback are highly intuitive. Overall, the study highlights the crucial role of multi-directional feedback, particularly including shear force, in improving the control and usability of myoelectric prostheses. This study suggests that sophisticated feedback systems can significantly reduce the need for extensive training, improve daily function, increase user satisfaction and thus represent a major advancement in overcoming one of the largest barriers to long-term prosthesis use. Future research should focus on further refining these feedback systems and exploring their application across other prosthetic designs to enhance outcomes for upper limb amputees.

Le amputazioni degli arti superiori, in particolare quelle della mano, possono compromettere gravemente le attività quotidiane, il lavoro e l’indipendenza personale, privando i pazienti di funzioni motorie e sensoriali. Oltre alle limitazioni fisiche, gli amputati affrontano anche conseguenze psicologiche significative, tra cui per esempio un’immagine corporea alterata e un possibile disagio emotivo. In questo campo, le protesi mioelettriche offrono una possibilità di recupero delle funzioni motorie traducendo i segnali muscolari in movimento; tuttavia, questi dispositivi spesso mancano di un feedback sensoriale adeguato, indispensabile per un controllo protesico intuitivo ed efficace. Questa carenza rimane una delle principali cause di abbandono della protesi, con fino al 44\% degli utenti che interrompono l’uso a causa dell’assenza di sensazioni tattili, soprattutto durante lo svolgimento di azioni o tasks più complessi. L’obiettivo principale di questa tesi è di investigare come l’integrazione di meccanismi avanzati di feedback sensoriale, in particolare utilizzando sensori in grado di rilevare anche la forza tangenziale, possa migliorare queste protesi, rendendole più funzionali e facili da usare. La ricerca comprende tre esperimenti. Il primo esperimento ha valutato l’efficacia dell’integrazione del feedback della forza di taglio insieme al tradizionale feedback della forza normale in una task di prevenzione dello scivolamento. I risultati hanno dimostrato che l’inclusione del feedback della forza di taglio migliora significativamente la capacità degli utenti di rilevare e reagire allo scivolamento, riducendo gli errori e migliorando il controllo della protesi. Il secondo esperimento si è concentrato sulla discriminazione di diversi pesi inseriti all'interno di un bicchiere, valutando inoltre l’impatto del training sulle prestazioni, con lo scopo di analizzare la possibilità di una riduzione del periodo di training. I risultati hanno mostrato che i partecipanti sono stati in grado di differenziare efficacemente tra pesi diversi utilizzando il feedback vibrotattile e che però il training ha migliorato significativamente l’accuratezza, sottolineandone. Il terzo esperimento ha esaminato un task di discriminazione della direzione di movimento di un oggetto, rivelando che gli utenti possono discernere accuratamente i cambiamenti sottili nella direzione del movimento senza un training estensivo, suggerendo che i segnali direzionali forniti dal feedback della forza di taglio sono altamente intuitivi. Nel complesso, lo studio evidenzia il ruolo cruciale del feedback multi-direzionale, in particolare della forza di taglio, nel migliorare il controllo delle protesi mioelettriche. Questi risultati suggeriscono che i sistemi di feedback avanzati possono ridurre significativamente la necessità di un addestramento, migliorare la funzionalità quotidiana e aumentare la soddisfazione degli utenti, affrontando così una delle principali barriere all’uso prolungato della protesi. La ricerca futura dovrebbe concentrarsi sull’affinamento di questi sistemi di feedback e sull’esplorazione della loro applicazione in diversi modelli protesici per migliorare i risultati per gli amputati degli arti superiori.