PROGETTAZIONE DI UN BANCO PROVA PER PROTESI TRANSTIBIALI

Le protesi transtibiali vengono utilizzate da pazienti che hanno subito l'amputazione del piede e di parte della tibia: uno dei più famosi utilizzatori di questi ausili per la deambulazione è il famoso corridore Oscar Pistorius. 

Le protesi transtibiali meccaniche per camminare sono formate principalmente da tre componenti:

• un'invasatura, dove il paziente infila il moncone di arto, realizzata solitamente in materiale rigido

• un tubo in materiale metallico o composito che sostituisce la parte di tibia mancante, collegando l’invasatura al piede protesico

• un piede protesico, sopra il quale si andrà ad infilare la calzatura.

Prima della produzione in serie del prodotto viene effettuata una fase di verifica strutturale dei componenti. I test del tubo e del piede protesico avvengono vincolando rigidamente a terra i componenti ed applicando dei carichi variabili alle parti da testare, seguendo i protocolli imposti dalle relative normative.

Attualmente non esistono macchinari in grado di riprodurre in modo accurato forze e cinematica che si generano durante il cammino con un arto artificiale.

Il macchinario elettromeccanico oggetto del lavoro di tesi, in grado di riprodurre le forze a terra e gli angoli articolari che si sviluppano durante la deambulazione umana, è stato progettato con il fine principale di valutare l'usura dell'invaso e della cuffia.

La macchina è mossa da 4 motori elettrici controllati in forza e/o in posizione a seconda delle diverse fasi del passo.

Oltre ai due motori che riproducono gli angoli generati dalle rotazioni delle articolazioni del ginocchio e dell'anca, sono presenti due ulteriori motori che comandano altri due gradi di libertà: il motore del quadrilatero principale e quello di movimentazione della slitta.

Il motore collegato al quadrilatero serve per garantire la riproduzione della variazione di altezza del bacino, oltre ad agire sul modulo della forza verticale scaricata a terra dal piede. 

Anche l'azionamento della slitta ha un duplice effetto: oltre a garantire una superficie di appoggio al piede (condizione necessaria poiché si è scelto di bloccare lo spostamento orizzontale dell'anca) ha il compito di riprodurre l'andamento reale della forza orizzontale che si scambiano piede e slitta.

Oltre alla determinazione della geometria del macchinario attraverso una modellazione CAD, sono stati calcolati analiticamente gli andamenti temporali delle coppie articolari, usati successivamente per validare le simulazioni.

Con il fine di valutare le coppie generate dai motori retroazionati e determinare eventuali instabilità del sistema è stato importato in Adams un modello semplificato del macchinario per eseguire una co-simulazione tra Adams e Matlab (l'algoritmo di controllo PID dei motori è stato scritto utilizzando il pacchetto di Matlab, Simulink\SimMechanics).

Durante la co-simulazione Matlab si occupa di integrare le equazioni relative al controllo mentre Adams risolve le equazioni relative al sistema meccanico. I due programmi si scambiano i risultati in funzione del passo di comunicazione che è stato impostato.

Questa prima strada si è rivelata poco fortunata a causa dell'elevato tempo per completare la co-simulazione e soprattutto a causa dell'insorgenza di instabilità che si manifestano aumentando i guadagni o diminuendo il tempo necessario per completare l'intero ciclo del passo.

A causa di queste ragioni è stato importato lo schema di controllo interamente in Adams riuscendo così a diminuire considerevolmente il tempo della simulazione e a rendere molto più stabile il sistema.

Per implementare il sistema di controllo il ciclo del passo è stato suddiviso in tre fasi:

Nella prima fase (posizionamento) i motori del quadrilatero principale, dell'anca e del ginocchio sono controllati in posizione e come riferimento hanno grandezze costanti nel tempo.

In questa fase la slitta non è controllata ma rimane in posizione grazie al contatto con il piede.

E' necessario avere una prima fase “stazionaria” per due motivi: ridurre eventuali oscillazioni del sistema, che rischierebbero di renderlo instabile con il progredire della simulazione, e determinare le coppie necessarie a mantenere ferma la struttura, che verranno sommate in feedforward durante la successiva fase, l'appoggio. 

Con l'inizio della fase di appoggio il controllo del quadrilatero viene commutato gradualmente da posizione a forza: il suo riferimento diventa la forza verticale scambiata tra slitta e piede.

Nel frattempo anche il controllo della slitta segue una strada simile a quella del quadrilatero, con la sola differenza di dover riprodurre la forza orizzontale invece che la verticale.

I motori delle articolazioni (anca e ginocchio) rimangono controllati in posizione ma i loro riferimenti diventano delle curve variabili nel tempo.

In questa fase si sono trovate le maggiori difficoltà di settaggio dei parametri di controllo e di contatto (tra slitta e piede), poiché gli effetti del controllo in forza del quadrilatero e del controllo in posizione delle articolazioni tendono a contrapporsi andando in conflitto tra loro.

L'ultima fase della simulazione è la fase di volo.

Tutti i motori sono controllati in posizione, il ginocchio e l'anca hanno come riferimenti gli angoli reali che si sviluppano durante il cammino.

Il quadrilatero si solleva per evitare che la slitta e il piede entrino in contatto; la slitta ritorna al punto di partenza seguendo la traiettoria impostale.

Questo studio ha permesso di stabilire che è fisicamente possibile costruire un innovativo macchinario deambulatore movimentato da motori elettrici, in grado di riprodurre fedelmente le forze e gli angoli che si sviluppano durante un passo (considerato bidimensionale) della durata di 1,03 s.

Autori: Federico Riccardo Pasquale Ferrara