Progettazione di un meccanismo a due gradi di libertà e architettura ibrida per protesi attiva di spalla

Lo scopo di questa tesi è il dimensionamento e la progettazione di un meccanismo atto a sviluppare le funzioni di una protesi di spalla in modo attivo. Questa ricerca si inserisce all’interno di un progetto di più ampio respiro promosso dal Centro Protesi INAIL di Vigorso di Budrio, in collaborazione con le Facoltà di Ingegneria di Bologna e Ferrara, per lo studio e la progettazione di una protesi d’arto superiore destinata a pazienti con amputazioni di alto livello (disarticolazione di spalla).
La novità di questo progetto risiede nella volontà di realizzare una protesi che offra un funzionamento di tipo attivo, ovvero che utilizzi degli organi di attuazione propri per il movimento. Lo scopo ultimo è la realizzazione di un arto artificiale completo aggiungendo alla spalla le parti già esistenti come gomito, polso e mano.
In queste pagine verranno analizzati i requisiti richiesti al meccanismo dapprima individuando i vincoli geometrici dettati dalla morfologia fisica di un paziente generico, successivamente evidenziando le specifiche cinematiche richieste da compiti motori (attività di vita quotidiana) ritenuti più significativi da un punto di vista funzionale, ricavandone escursioni angolari e velocità. Verranno poi descritte le specifiche tecniche richieste dall’INAIL per guidare la modellazione del dispositivo dal punto di vista sia costruttivo che operativo.
Studi precedenti hanno permesso di simulare il movimento della spalla tramite l’utilizzo di due soli gradi di libertà la cui attuazione saranno l’obiettivo del meccanismo di spalla. In particolare una delle specifiche più forti del progetto richiede che gli assi di rotazione dei due gradi di libertà siano perpendicolari e incidenti in modo da ottenere un disaccoppiamento delle variabili cinematiche e in questo modo ottenere come risultato oggettivo un controllo più semplice da parte del paziente.
Per l’attuazione dei due gradi di libertà individuati sarà proposta una architettura ibrida, ovvero una costruzione che preveda una catena cinematica aperta (seriale) per la prima rotazione e una catena cinematica chiusa (parallela) per la seconda. Quest’ultima in particolare sarà oggetto di studio e analizzata dal punto di vista geometrico e cinematico, offrendo una ottimizzazione degli elementi della catena allo scopo di minimizzare l’entità di forze richieste al movente. Sarà infine proposto un modello meccanico del dispositivo che presenti gli organi necessari a realizzare i due gradi di libertà, integrando componenti commerciali con particolari originali.
Infine verranno analizzati i risultati ottenuti evidenziando i pregi, criticandone i limiti e proponendo eventuali sviluppi futuri.