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

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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. 
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Capitolo 1 -  Protesi 
1.1  Generalità sulle protesi 
L’assenza di un organo così importante come un arto, oltre a difficoltà di 
ordine motorio, è anche fonte di notevoli implicazioni psicologiche. Uno 
degli aspetti fondamentali da non trascurare mai nella progettazione di una 
protesi, è infatti il destinatario finale, ovverosia l’amputato. È sempre viva 
in questo senso l’eventualità che il paziente rifiuti questo tipo di ausilio, in 
quanto ritenuto un invasione da parte di un oggetto estraneo al proprio 
corpo. Questo particolare atteggiamento, che agli occhi di una persona sana 
potrà sembrare anche irragionevole, è più frequente nei malati che 
utilizzano protesi con un certo ritardo cronologico dal momento del 
trauma. A questo proposito si rende necessario agire quindi nell’interesse 
dei malati non solo nel più breve tempo possibile, ma offrendo loro 
soluzioni che permettano di recuperare una mobilità e un livello di 
autosufficienza tali da poter riprendere a vivere una vita normale. Per 
supportare questo nobile scopo, vengono in soccorso le soluzioni 
tecnologicamente più avanzate provenienti dalle discipline più differenti 
del sapere, dall’elettronica alla meccanica, dalla medicina all’informatica, 
per convergere insieme al superamento dell’handicap nel modo più 
consono al paziente. Notevole importanza hanno anche le fasi di 
rieducazione funzionale e di riabilitazione motoria che precedono e 
seguono il momento in cui l’amputato viene dotato di protesi. 
1.2  Protesi di spalla 
Per quanto riguarda questa ricerca verrà fatto riferimento alle protesi d’arto 
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superiore (PAS) [1], pensate per deficienze di diverso livello e natura, ad 
una o ad entrambe le braccia. Vi fanno riferimento amputazioni più o meno 
complesse, a seconda del trauma o della natura congenita. Risultano 
ovviamente tra le più disabilitanti quelle che riguardano la spalla, in quanto 
necessitano di una sostituzione totale delle funzionalità del braccio. Il 
Centro Protesi INAIL di Vigorso di Budrio (BO) è da decenni 
specializzato nell’assistenza di pazienti con amputazioni. Nella gamma di 
protesi in uso attualmente, per coloro che abbiano subito una 
disarticolazione di spalla, non vi sono protesi che possano di diritto 
rientrare nella categoria delle cosiddette “protesi attive”. Questa 
distinzione evidenzia l’assenza all’interno della protesi di motori, attuatori 
o componenti funzionali atti a compiere movimenti in modo autonomo. 
Come molte altri tipi di protesi, è costituita da un membro solidale al 
paziente, detto “invasatura”, che viene assicurata al moncone per mezzo di 
cinghie regolabili e funge da interfaccia con l’elemento protesico. Ogni 
invasatura è personalizzata e costruita su un preciso calco in gesso del 
moncone del paziente. In questo modo è possibile modellare una superficie 
che somiglierà meglio alla forma della zona corporea su cui verrà poi 
applicata, migliorandone la portabilità ed il comfort.  
 
 
Figura 1.1 Protesi passiva attualmente in uso. 
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All’invasatura della protesi di spalla è ancorata la testa di un giunto sferico 
a frizione che permette di ruotare il resto dell’arto artificiale con una certa, 
seppur limitata, mobilità. La regolazione di questa articolazione è 
effettuata per mezzo di forze esterne, in particolare con l’uso del braccio 
sano o facendo leva su punti di appoggio fissi. Come può essere dedotto 
anche dalla fotografia di Fig. 1.1, questa tipologia senza sistemi di 
attuazione pone ovvie limitazione al paziente, che oltre a non poter 
realizzare ampiezze di movimento elevate (limitate dalla ristretta mobilità 
del giunto sferico), deve continuamente far uso dell’altro braccio, se 
presente, o di stratagemmi per spostare e correggere la rotazione della 
spalla. 
Il lavoro di tesi qui sviluppato, si inserisce all’interno di un progetto 
avviato dallo stesso Centro Protesi in collaborazione con le Università di 
Bologna e di Ferrara, promosso con lo scopo di riempire questo vuoto 
dell’offerta protesica attraverso la costruzione di un dispositivo attivo che 
vada a sostituire l’articolazione passiva e potenziare le funzionalità delle 
attuali protesi per amputazioni di alto livello. Utilizzando anche i risultati 
di studi precedenti relativi a protesi per gomito e altre articolazioni, sono 
state stilate diverse specifiche tecniche da rispettare nel corso della 
progettazione. Per quanto riguarda il comando della protesi, un notevole 
passo avanti nella tecnica di controllo è stato realizzato con l’utilizzo di 
sensori mioelettrici,  già in precedenza utilizzati e sviluppati, per altre 
tipologie di arti artificiali. 
1.3  Protesi mioelettriche 
Questo tipo di protesi utilizza dei piccoli sensori elettronici posizionati a 
contatto con l’epidermide del paziente che rilevano, sottoforma di tensione 
elettrica, i cosiddetti segnali elettromiografici (EMG) prodotti dai muscoli 
durante la fase di contrazione.  
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Figura 1.2 Schema di funzionamento (Tratto da Troncossi [1]). 
 
Figura 1.3 sensore differenziale (Tratto da Troncossi [1]). 
Questi segnali vengono successivamente amplificati ed elaborati da una 
unità di controllo come input di tipo on-off o proporzionale, e li utilizza per 
comandare i motori elettrici che muovono la protesi. Solitamente questi 
sensori vengono posizionati sui muscoli volontari residui che si trovano più 
possibile vicino al moncone. Attraverso un’adeguata educazione, viene 
insegnato al paziente come sfruttare la contrazione di questi muscoli per 
controllare il movimento della protesi, prendendone così il pieno controllo 
per utilizzarla secondo le proprie necessità. 
Mediante l’uso dei sensori mioelettrici sarebbe possibile offrire un certo 
grado di autosufficienza anche a quei pazienti che presentano una 
disarticolazione bilaterale. La concomitante assenza di entrambe le braccia, 
più che in altri casi, mette in notevole difficoltà il paziente, non essendo 
assolutamente in grado di svolgere quasi nessuna attività da solo, se non 
con l’uso degli arti residui. L’utilizzo di questi sensori nelle protesi 
metterebbe in luce la possibilità di gestire in modo assolutamente 
indipendente gli arti artificiali, e vedrebbe realizzarsi l’inedita occasione di 
poter controllare le protesi in modo completo ed in piena autonomia. 
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Capitolo 2 -  Analisi del problema 
Lo scopo di questa tesi nasce per fornire un dispositivo meccanico che 
replichi la mobilità della spalla e che si integri correttamente con gli altri 
elementi del braccio artificiale (invasatura, gomito, avambraccio, polso, 
mano, ecc…). Così come altre parti del corpo umano, è già stato 
ampiamente riconosciuto che riprodurre integralmente le capacità di 
un’articolazione come quella spalla umana è al momento attuale pressoché 
impossibile, vista l’elevata complessità dell’organo e le tuttora inadeguate 
risorse tecnico-scientifiche a disposizione per replicarla integralmente. È 
stata quindi suggerita la possibilità di limitare le variabili cinematiche della 
protesi artificiale ad un numero di due soltanto, contro le tre effettive 
individuate nella spalla naturale. Questi due gradi di libertà permettono di 
eseguire i movimenti di: 
ƒ flesso-estensione: sollevamento anteriore-posteriore del braccio 
rispetto al piano frontale (in soggetti sani ha un’escursione di 210°) 
ƒ abduzione-adduzione: allontanamento-avvicinamento del braccio 
rispetto al piano sagittale (piano longitudinale che divide il corpo in 
due parti simmetriche). In soggetti sani ha un’escursione angolare di 
circa 180°. 
Nonostante questa semplificazione è possibile garantire all’arto una 
sufficiente capacità motoria, tale da essere comunque in grado di compiere 
gesti di quotidiana necessità. Per poter affrontare il problema nello 
specifico è necessario quindi affrontare uno studio della cinematica del 
braccio artificiale attraverso un modello cinematico semplificato del 
sistema busto, braccio, avambraccio, mano. Per eseguire l’analisi inversa 
andranno definiti sistemi di riferimento solidali ai membri in movimento e 
calcolate le matrici di trasformazione delle coordinate da un membro 
all’altro. Definite le traiettorie che la mano deve seguire nello spazio 
cartesiano durante l’esecuzione dei task motori presi a riferimento, sarà poi 
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possibile calcolare le leggi di moto delle coppie cinematiche attuate che 
collegano i vari membri. 
2.1  Cinematica dell’arto artificiale 
 
Figura 2.1 Modello cinematico dell’arto superiore (Tratto da Stella [5]). 
Questa studio posiziona un riferimento di coordinate fisso x
0, 
y
0, 
z
0
 scelto 
immaginando il paziente in posizione eretta, e individuando l’origine degli 
assi O al suolo nell’intersezione tra il piano mediano frontale e il piano 
sagittale. Il paziente sarà considerato immobile per quanto riguardano 
gambe, busto e testa, supponendo che possano muoversi unicamente il 
braccio e l’avambraccio. Il centro sferico della spalla, chiamato S, è 
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solidale al sistema di riferimento fisso al suolo, ed è situato, per quanto 
riguarda una persona sana, nella posizione che naturalmente occupa la testa 
dell’omero accoppiata alla superficie della scapola detta glenoide. 
La coppia sferica di spalla è modellata come un polso sferico, ovvero come 
la successione di tre coppie rotoidali ad un grado di libertà con assi 
incidenti, corrispondenti, nel caso di Figura 2.1, alle rotazioni θ
1
, θ
2
 e θ
H
. 
Nello schema costruttivo saranno attuate solo le prime due coppie 
lasciando che la terza coppia, responsabile della rotazione θ
H
, venga 
concepita come coppia passiva realizzata tramite un disco a frizione. 
Riducendo, quindi, la presenza degli attuatori da tre a due, sarà possibile 
concepire una struttura più leggera e meno ingombrante del dispositivo e 
più semplice da controllare. A questo proposito sarà necessario replicare la 
loro disposizione rappresentata nella Fig. 2.1, ricalcando nel disegno del 
dispositivo meccanico reale, l’incidenza degli assi di rotazione θ
1 
e θ
2
 e la 
particolare sistemazione delle coppie. Questa collocazione ben precisa, 
garantisce al secondo giunto di ruotare sempre attorno ad un asse fisso, 
qualunque sia il valore di θ
1
, permettendo così un disaccoppiamento delle 
variabili cinematiche θ
1 
e θ
2
. Disaccoppiare le variabili risulta di grande 
utilità, in quanto permette di esprimere il valore di ogni incognita del 
sistema, attraverso equazioni che non siano dipendenti dal valore delle 
altre incognite, svincolando così la determinazione della posizione 
angolare di un membro da quella delle altre coppie cinematiche. In questo 
modo si può esprimere il controllo di posizione di ognuno dei due attuatori 
mediante l’espressione della sola variabile che lo contraddistingue, in 
modo indipendente l’uno dall’altro. Poiché ogni attuatore, non ha 
interferenze di altre variabili, se non quella che egli stesso deve realizzare, 
può essere mosso indifferentemente sia prima che dopo l’azionamento 
dell’altro. In virtù di questa scelta, il segmento del modello che rappresenta 
l’omero, raggiunge la posizione desiderata nello spazio cartesiano in 
maniera univoca, descritta solamente dai valori di θ
1 
e θ
2
, senza dover 
definire alcuna sequenza di azionamento. I vantaggi di questa tecnica si 
rilevano soprattutto durante la progettazione del controllo degli attuatori, in 
quanto ne semplifica significativamente la gestione, soprattutto quando è 
richiesto il movimento simultaneo dei motori.