Design and characterization of a soft force sensor for hand prostheses

Tactile sensory feedback is crucial for upper limb amputees, as it facilitates intuitive control of prosthetic devices, precise object manipulation, and a strong sense of prosthesis embodiment. Restoring this feedback necessitates of feedback interfaces, controllers, and tactile sensors to detect forces at the interface between the prosthesis and the surrounding environment. Among the various tactile sensing technologies developed for prosthetic applications, Force Sensitive Resistors (FSRs) are the most commonly used due to their compact size, low cost, simplicity in electronic integration, and sensitivity to minimal forces. However, FSRs exhibit significant limitations, including non-linearity, drift, hysteresis, and inconsistent responses to stimuli presented at different contact angles, which compromise their accuracy and reliability. To address these challenges, this thesis introduces a novel low-cost pneumatic Soft Force Sensor (SFS) characterized by a fluidic-based architecture utilizing thermoplastic polyurethane (TPU) and foam. The SFS was rigorously tested and compared to traditional FSRs, demonstrating superior performance across several key metrics. Results indicate enhanced consistency and accuracy in force detection, with reduced hysteresis, minimal drift and settling time, a highly linear response to applied forces, and reliable output across varying contact angles. These attributes make the SFS particularly suitable for prosthetic applications where force alignment is often variable. Moreover, compared to other fluidic soft sensors, the proposed SFS demonstrated superior performance in both sensitivity and compactness. This research marks a promising new frontier for fluidic sensors in prosthetic hands, highlighting their potential to significantly improve tactile feedback.

Il feedback tattile è un elemento essenziale per gli amputati di arto superiore, poiché consente un controllo intuitivo delle protesi, una manipolazione precisa degli oggetti e una migliore percezione della protesi stessa come parte integrante del proprio corpo. Ripristinare questo feedback è complesso e richiede lo sviluppo di sensori tattili in grado di rilevare le forze all'interfaccia tra la protesi e l'ambiente. Tra le diverse tecnologie tattili per applicazioni protesiche, i sensori di forza resistivi (FSR) sono tra i più usati grazie alle loro dimensioni compatte, al basso costo, alla semplicità d'integrazione elettronica e alla sensibilità a forze di bassa entità. Tuttavia, gli FSR presentano importanti limitazioni, come un comportamento non lineare, drift, isteresi e risposte inconsistenti a stimoli applicati con angoli di contatto variabili, che insieme ne riducono accuratezza e affidabilità. Per affrontare tali limitazioni, questa tesi introduce un nuovo sensore di forza soft (SFS) pneumatico e a basso costo, caratterizzato da un'architettura fluidica basata su poliuretano termoplastico (TPU) e spugna. Il SFS è stato sottoposto a rigorosi test e confrontato con i tradizionali FSR, dimostrando prestazioni superiori in diversi parametri chiave. In particolare, i risultati evidenziano una maggiore coerenza e precisione nel rilevamento delle forze, una riduzione di isteresi, drift e tempo di stabilizzazione, una risposta altamente lineare e una maggiore affidabilità anche a contatti angolati. Queste caratteristiche rendono il SFS particolarmente adatto alle applicazioni protesiche, in cui la direzione della forza di contatto con il mondo esterno è altamente variabile. Inoltre, si è anche dimostrato come l'SFS abbia una performance superiore sia in termini di sensibilità che di compattezza rispetto ad altri sensori soft e fluidici presenti in letteratura. Questa tesi segna una potenziale nuova frontiera per i sensori fluidici utilizzati in ambito protesico, evidenziando il loro possibile impatto migliorativo per generare feedback tattile.