Universita degli studi di roma“tor vergata”

Corso di laurea magistrale in Ingegneria Medica

Corso di bioprotesi

Docente

Ettore pennestri

studenti

Emanuela girolami

Francesca tramontana

Protesi di mano

introduzione• Il brevetto scelto riguarda un

meccanismo protesico di mano per persone con amputazione a livello della giunzione metacarpofalangea o con amputazione totale.

Giunzione metacarpofalangea

IntroduzionePer la realizzazione delle seguenti

immagini è stata utilizzata la funzione di rendering negli strumenti photoworks

introduzione• La protesi include un meccanismo di presa

grazie alla presenza di due membri, dita e pollice, uniti cinematicamente tra loro.

• Il meccanismo di presa è azionato da un motore connesso ad un riduttore epicicloidale.

• Il motore esplica una coppia di 19.63Nm tra le dita e il pollice ed è collegato mediante elettrodi al moncone.

introduzione• Il motore è alimentato da una batteria

ricaricabile di 9 V.• La protesi esternamente è ricoperta da un

guanto che la rende simile, esteticamente, ad una vera mano.

Controllo mioelettrico•Il meccanismo utilizza come sensori degli elettrodi superficiali posti sopra il livello di amputazione, a contatto con la cute del moncone, che rilevano la contrazione volontaria del muscolo sottostante.

•Condizioni necessarie per utilizzo di sEMG sono:Ampiezza tale da essere riconosciuto dal sensoreIl paziente deve generare della contrazioni indipendenti,poiché la protesi ha un funzionamento errato se riceve due ordini contrastanti

•Il segnale viene inviato ad un algoritmo che, traducendo la volontà del paziente, decide il movimento che deve essere attuato:attivazione m. estensore dell’avambraccio = apertura manoattivazione m. flessore dell’avambraccio = chiusura mano

Dispositivi di controllo protesi:ON-OFF = il motore si attiva sempre con la stessa potenza

Assieme esploso

Descrizione componenti

• La parte più interna della protesi è costituita dal motore e dal riduttore epicicloidale.

• Il riduttore è composto da una serie di ingranaggi con ruote solari circondate da tre satelliti ognuna.

Descrizione dei componentiprimo rotismo

108 pignone

motore

131

122a satelliti

122b133

122c

140 pignone uscita

128 corona

Descrizione componenti• Successivamente al riduttore è presente un

meccanismo detto “Silent Ratchet”, che consente la chiusura della protesi quando il motore ruota in senso antiorario e limita il movimento di apertura per una rotazione oraria del motore.

• In uscita è presente un solare circondato da sei satelliti che trasmette il moto alle dita.

• Il moto delle dita è trasmesso al pollice tramite un quadrilatero articolato.

Descrizione dei componenti

secondo rotismo

154 176

162

148

Analisi cinematica• Velocità angolare

dita =0.0152 * velocità

motore• Coppia in uscita =65.4587 * coppia in

ingresso

• %%%%%%%%%%%%%calcolo cinematico prima parte

• symsomega122A omega122B omega122C omega131 omega132 omega133 omegaMOTOR;

• %inizializzazionedel vettore delle incognite

• incog1=[omega122A;

• omega122B;

• omega122C;

• omega131;

• omega132;

• omega133];

•

• %inizializzazionedel vettore dei termini noti

• noto1=[-omegaMOTOR;

• 0;

• 0;

• 0;

• 0;

• 0];

•

• %matrice delle soluzioni

• matrix1=[7/8 0 0 -(1+7/8) 0 0;

• 0 7/8 0 1 0 -(1+7/8);

• 0 0 7/8 0 -(1+7/8) 1 ;

• 0 -7/23 0 0 0 -(1-7/23);

• 0 0 -7/23 0 -(1-7/23) 0;

• -7/23 0 0 -(1-7/23) 0 0 ];

•

• %calcolo della soluzione

• mat_inv1=inv(matrix1);

• soluz1=mat_inv1*noto1;

• %%%%%%%%%%%%%calcolo cinematico seconda parte

• syms omegaFINGER omega162;

• omega140=soluz1(5);

• incog2=[omegaFINGER;

• omega162];

•

• noto2=[-omega140;

• 0];

•

• matrix2=[-3/2 1/2;

• 3 -4 ];

•

• mat_inv2=inv(matrix2);

• soluz2=mat_inv2*noto2;

• omegaFINGER=soluz2(1)

• %%%%%%%%%%%%%%calcolo della coppia uscente

• syms coppiaIN;

• coppiaOUT=omegaMOTOR*coppiaIN/omegaFINGER

Analisi cinematica

• Velocità motore=83.3 gradi/sec

velocità angolare dita =1.2726 gradi/sec

• Coppia in ingresso = 0.3 Nm

coppia in uscita = 19.63 Nm

omega122A -128/217*omegaMOTORE -49,14

omega122B -1024/6727*omegaMOTORE -12,68

omega122C -0.0393*omegaMOTORE -3,272

omega131 8/31*omegaMOTORE 21,5

Omega133 64/961*omegaMOTORE 5,548

Omega140 512/29791*omegaMOTORE 1,432

omegaFINGER 4096/268119*omegaMOTORE 1,273

omega162 1024/89373*omegaMOTORE 0,954

Riduttore epicicloidale

ProgettazioneQuadrilatero articolato risolto con la

condizione :Velocità pollice = velocità dita

ProgettazioneNota configurazione

iniziale: AB=18.93 mm ad=57.53 mm Teta=78°

Si impone

Analisi polare:omegaPollice X P14P24

=omegadita X P12P24Attraverso

considerazioni geometriche si ottiene

P12P24=28.75mmAlfa=36.74°CD=18.93 mmBP24=30.96 mm &

BC=61.93 mm

ditapollice

Calcolo delle polari• %geometria del quadrilatero• r1= 18.93; • r2= 61.89; • r3= 18.93;• r4= 57.53;

• theta_in=deg2rad(282);• theta_fin=deg2rad(252.79);• theta=theta_in:-(4/180)*pi:theta_fin;• theta4=pi;

• %valori iniziali degli angoli• phi=deg2rad(36.74);• gamma=deg2rad(282.19);• x0=[phi;gamma];

• syms theta2 theta3;

• %ciclo for per il calcolo della soluzione al variare di theta• for i=1:length(theta)• f1= r1* cos(theta(i))+ r2* cos(theta2)+ r3* cos(theta3)+ r4* cos(theta4);• f2= r1* sin(theta(i))+ r2* sin(theta2)+ r3* sin(theta3)+ r4* sin(theta4);•• jac=jacobian ([f1;f2]);• epsilon=10^-5;• tent=0; •• norma=1;• %ciclo while per l'iterazione del metodo Newton-Raphson• while norma>epsilon & tent<200•• J=subs(jac,{theta2,theta3},{phi,gamma});• F1=subs(f1,{theta2,theta3},{phi,gamma});• F2=subs(f2,{theta2,theta3},{phi,gamma});• F=[F1;F2];• x=x0-(inv(J))*F;• norma=norm(F);• x0=x;• phi=x0(1);• gamma=x0(2);• end•• %soluzioni degli angoli• PHI(i,1)=phi;• GAMMA(i,1)=gamma;• Theta(i,1)=rad2deg(theta(i)); • sol_angoli(i,1)=rad2deg(phi);• sol_angoli(i,2)=rad2deg(gamma);

• %calcolo del detheta/defi necesario per il calcolo della polare

• M=[-r1*sin(theta(i)),-r3*sin(gamma); %M è la matrice che si ottiene• %derivando rispetto a phi le eq.ni di chiusura• r1*cos(theta(i)),r3*cos(gamma)];

sol=inv(M)*[r2*sin(phi);-r2*cos(phi)]; %soluzione del sist.lineare nelle %incognite dtheta/dphi e dgamma/dphi

DthetaDphi=sol(1);z=DthetaDphi;

a=r1*cos(theta(i));b=r1*sin(theta(i));AB(i,1)=a;AB(i,2)=b;

a1=-r1*sin(theta(i))*z;b1=r1*cos(theta(i))*z;A1B1(i,1)=a1;A1B1(i,2)=b1;

%polare mobile nel rif mobilexpM=a1*sin(phi)-b1*cos(phi); ypM=a1*cos(phi)+b1*sin(phi);

%polare fissa nel riferimento fisso Xp=a-b1;Yp=b+a1;

%polare mobile nel riferimento fisso xp=r1*cos(deg2rad(282))+xpM*cos(phi)-ypM*sin(phi);yp=r1*sin(deg2rad(282))+xpM*sin(phi)+ypM*cos(phi);

%creazione array delle soluzionipolM(i,1)=xp; polM(i,2)=yp;polF(i,1)=Xp;polF(i,2)=Yp;

end

%grafico delle polari nel rif fissoplot(polM(:,1),polM(:,2),'-mo' ,polF(:,1),polF(:,2),'-bd');legend('Polare mobile','Polare fissa','Location','SouthEast');title('GRAFICI DELLE POLARI NEL RIFERIMENTO FISSO')hold on%grafico di alcune configurazioni assunte dal quadrilatero al variare di%theta

E=1;coordX=[0;AB(E,1);AB(E,1)+r2*cos(PHI(E,1));r4];coordY=[0;AB(E,2);AB(E,2)+r2*sin(PHI(E,1));0];plot(coordX,coordY,'-ko','LineWidth',2,'MarkerFaceColor','c','MarkerSize',8)

apertura

Theta = 282 °

Theta = 252 °

theta phi gamma xp yp Xp Yp

282 36,738 282,19 -3554,3 16722 -3554,3 16722

278 36,642 286,06 -53,585 390,77 -54,886 390,54

274 36,377 289,7 -11,352 200,1 -13,967 199,74

270 35,956 293,12 3,9358 135,18 1,44E-13 134,76

266 35,396 296,34 12,376 102,18 7,1193 101,81

262 34,709 299,38 18,062 81,995 11,491 81,765

258 33,908 302,25 22,369 68,204 14,497 68,204

254 33,005 304,95 25,889 58,042 16,735 58,362

Chiusura

Theta = 282 °

Theta = 312 °

theta phi gamma xp yp Xp Yp

282 36,738 282,19 -3554,3 16722 -3554,3 16722

286 36,645 278,06 112,41 -396,82 113,7 -396,5

290 36,346 273,65 67,231 -192,42 69,769 -191,69

294 35,819 268,93 51,447 -125,23 55,211 -124,01

298 35,041 263,85 42,881 -91,762 47,833 -89,96

302 33,984 258,36 37,168 -71,7 43,264 -69,237

306 32,614 252,39 32,845 -58,306 40,036 -55,105

310 30,888 245,83 29,252 -48,686 37,484 -44,671

Analisi cinematica• Il

movimento è stato realizzato utilizzando Cosmos Motion

Analisi cinematica

• Per riprodurre il movimento si è semplificato il modello.

• Si sono usati dei contatti 3D tra le zone in cui erano presenti dei perni poiché questi non partecipano alla cinematica del corpo.

• Tra il pignone e i satelliti sono stati inseriti dei Couplers per l’ingranamento delle ruote.

• Alla cerniera rappresentante il pignone è stata assegnata una funzione armonica per lo spostamento.

Analisi cinematica

Analisi cinematica

• Anche per il movimento del riduttore epicicloidale è stato usato Cosmos Motion.

Analisi cinematica

• Il rotismo è semplificato: i solari ingranano con un solo satellite, invece dei tre riportati realmente, per evitare la presenza di elementi ridondanti.

• Al pignone sull’albero motore è stata assegnata una velocità angolare di 5000 gradi/sec.

• Tra i componenti del rotismo sono stati usati dei couplers per l’ingranamento.

Analisi statica

Materiale utilizzato = TITANIO Modulo elastico 1,9e11 n/m^2 Modulo di taglio 4,3e11 n/m^2 Densità di massa 4600 kg/m^3 Resistenza a trazione 235e6 n/m^2 Carico di snervamento 140e6 n/m^2

Analisi statica

• Volume della protesi = 102808.02 millimetri cubici• Peso della protesi = 501.61 grammi

Analisi staticaSimulata azione di afferraggio oggetto

con peso di 500 grammi Peso bloccato ai membri attraverso

Contatto di gruppo a parti unite tra pollice e carico

dita e carico Eliminati perni di connessione fisici della

struttura,sostituiti con connettori a perno

Eliminato rotismo di connessione delle dita con il

telaio,sostituito da contatto a parti unite Eseguita analisi in modalita grandi

spostamenti

Risultati sollecitazione

Risultati sollecitazione

• Controllo progettoSollecitazione massima sui

componenti<sollecitazione limite titanioSollecitazione max = 10,6 e 06Carico snervamento titanio =140 e 06• FOS = fattore di sicurezza fos minimo = 13,2 (sul pollice) fos minimo = 48,9 (sul telaio)

Risultati deformazione

Risultati spostamento

Recapitiemanuela

emagabius@libero.it

francescafrancescatramontana@hotmail.com

fine