Meccatronica di comando e controllo per protesi totale di arto superiore

Replacing an amputee upper limb with a prosthetic arm, which can provide the lost functionality, is a hard and complex issue that involves many engineering fields. Different disciplines (Mechanics, Electronics, Computer Science, Biomechanics) are involved in the development of the prostheses by the Politecnic of Milan. The prosthetic arm has 3 D.o.f. (2 for shoulder and 1 for elbow), it is made by a resistant polymer (Delrin) and it carries three groups BLDC motor – Harmonic Drive gearbox. The entire motor control system design covers the first part of the thesis project. Customized motor control boards were designed starting from a Microchip development board. the firmware was also custom-developed in order to include a specific motor control regulator, the I2C communication protocol and the inverse kinematic algorithm related to the prostheses command system. The control system design of both hardware and software is only the first part of the this project. Like in the prosthetic field of research, further efforts were spent in an innovative command strategy. The actual prosthesis command systems are based on an electromyographic signal to move one joint at time using a single couple of muscles. The Politecnic of Milan upper limb prosthesis is based on a total different concept. The command strategy exploits the amputees’ head movement in order to position the artificial hand in the prosthesis working space. The idea is to drive the artificial end in the position of the patient look. To implement this method, the inertial platform Microstrain 3DM-G was adopted. Three different positioning of human head and two depth control techniques were also developed. In order to validate the proposed strategies, an experimental test was carried on three subjects using the virtual reality program Arm Simulator. Subjects tasked a unique test (“cube test”) several time for each session. A preliminary statistical analysis showed a quick improvement on the test performance after few sessions. A further elaboration, based on the learning curve, quantified the improvement for each subject. Therefore several steps forwards have been taken in order to build a low cost upper limb prostheses with good performance and an intuitive and functional command system.

La sostituzione di un arto amputato con un dispositivo protesico, che possa restituire la funzionalità perduta almeno in parte, è un problema complesso che coinvolge molti settori dell’ingegneria. La protesi realizzata al Politecnico di Milano rappresenta un perfetto esempio di lavoro sinergico tra diverse competenze. L’ausilio protesico è realizzato in materiale plastico (Delrin) e dotato di 3 G.d.L attivi (2 di spalla e uno di gomito) attuati da altrettanti motori brushless in corrente continua accoppiati a riduttori Harmonic Drive. La progettazione e realizzazione dell’intero sistema di controllo copre la prima parte del presente lavoro di tesi. Basandosi su una scheda di sviluppo dedicata al motor control sono state progettate le singole schede di controllo assi, da equipaggiare direttamente sulla protesi. Anche il firmware è stato oggetto del lavoro; esso incorpora anche le funzioni di lettura dei segnali provenienti dai motori e, mediante il sistema di controllo progettato in ambiente Matlab/Simulink, si occupa della pianificazione del moto e del controllo motore stesso. L’architettura hardware e software del sistema di controllo rappresenta solo un lato dello sviluppo di una protesi per arto superiore e non esaurisce il lavoro di tesi svolto. La maggiore e attuale sfida risiede nell’individuazione di una strategia di comando dell’arto da parte del paziente, in modo che la gestione sia la più naturale e intuitiva possibile. Le odierne tecniche di comando consentono solo il controllo sequenziale dei diversi giunti mediante l’utilizzo del segnale elettromiografico. L’idea su cui si basa la protesi realizzata presso Politecnico di Milano prevede l’utilizzo della piattaforma inerziale 3DM-G, collocata sul capo del paziente, in modo da registrarne i movimenti del capo. In questo modo verrà guidato l’organo terminale della protesi, ossia la mano, dove il paziente indirizza lo sguardo. Il sistema è stato perfezionato studiando diverse soluzioni per il collocamento dell’accelerometro e, per la prima volta, sono state sviluppate due diverse strategie per la gestione della profondità della mano. Il risultato e’ stata una campagna di prove su tre soggetti, utilizzando il programma di realtà virtuale Arm Simulator, e mediante la quale sono stati raccolti dati sufficienti a mettere in luce statisticamente rapidi miglioramenti nell’ uso del dispositivo di commando, quantificati poi con un’analisi basata sulle curve di apprendimento. In sostanza, durante il lavoro di tesi, è stato fatto un notevole passo avanti nella realizzazione di un dispositivo che possa replicare alla perdita di un arto. Ora è disponibile un sistema meccatronico completo e diverse strategie di comando che coprono una vasta gamma di esigenze.