Protesi Di Spalla Attiva A Comando Mioelettrico: Prototipazione E Collaudo

Protesi di spalla attiva a comando mioelettrico: prototipazione e collaudo

Ing. Emanuele Gruppioni

La struttura dell’Ente

Centro per la sperimentazione ed applicazione di protesi e presidi ortopedici


Produzione e fornitura di protesi, ortesi e ausili
Riabilitazione fisica e addestramento all’uso delle forniture
Sostegno psico-sociale finalizzato al reinserimento sociale e

lavorativo


Ricerca di nuove tecnologie che possano apportare benefici alla

qualità di vita dei pazienti

Alcuni numeri Prestazioni fornite

Assistiti

Personale

21.000

10100

303

INAIL 72%

Tecnico 176

ASL 24%

Sanitario 65

Altri 4%

Amministraz. e servizi 62

2007

Alcuni numeri Protesi Transtibiali

2006

850 nuove protesi 600 rinnovi di invasature 2200 cuffie di cui 1200 per nuove protesi 900 piedi protesici di cui 40% dinamici

Protesi Transfemorali

683 Nuove protesi 335 rinnovi invasature 547 riparazioni

Protesi Mioelettriche

300 Nuove protesi 100 nuovi casi oltre 90% dei casi in Italia

Protesi Cinematiche 80 Protesi con ginocchio elettronico

65 Nuove protesi 89 Sost. Invasature 89 Riparazioni 158 Tagliandi 450 Ginocchi el.dal 98 al 2006

Protesi Estetiche 380

Introduzione

Protesi ad energia extra-corporea Invasatura

Articolazioni motorizzate

• Articolazioni attive • Articolazioni passive • Sensori EMG • Circuito di controllo • Batterie ricaricabili • Invasatura

Elettrodi

Poliarticolarità

Stato dell’arte

Spalla

LTI (USA)

INAIL (IT)

Progetto di ricerca

Spalla  Le attuali soluzioni commerciali:

– Sono passive – Hanno uno spazio di lavoro limitato – Permettono un numero limitato di ADLs

 Lo scopo della ricerca è stato quello di:

– Creare una protesi di spalla attiva – Con aumentato spazio di lavoro – E che consentisse l’esecuzione di specifiche ADLs

Progetto di ricerca

Approccio sistematico 1.

Indagine sulle richieste dei pazienti

2.

Definizione delle specifiche tecniche

3.

Simulazioni cinematiche e cinetostatiche

4.

Modellazione e prototipazione meccanica

5.

Collaudo e caratterizzazione del prototipo

6.

Design dell’unità elettronica di controllo

7.

Trials su paziente

Progetto di ricerca

Specifiche tecniche 

Compatibilità e integrabilità del nuovo giunto attuato con gli attuali componenti protesici

    

Attenzione all’aspetto estetico e di vestibilità Ampio spazio di lavoro Alimentazione a batteria Peso contenuto Buone performances in termini di velocità e di carico manipolabile

 

Controllabilità mediante strategie tradizionali Sicurezza del paziente

Simulazioni cinematiche e cinetostatiche Progettazione di protesi d’arto superiore: DOPA (Determination of the Optimal Prosthesis Architecture)

•

Definizione del

profilo di un paziente di riferimento

 parametri di scelta  selezione ADLs di riferimento •

Definizione di diversi modelli di

•

Simulazione

•

Analisi

•

Calcolo degli

•

Scelta del

protesi

cinematica dell’esecuzione dei compiti

 prestazioni funzionali

dinamica (calcolo coppie e potenze motori)

 dimensione attuatori

indici

modello ottimale di spalla protesica

Simulazioni cinematiche e cinetostatiche Modelli di protesi considerati (e simulati)

Trunk Socket Shoulder

Upper Arm Elbow

Gomito Unità di pronosupinazion e

Forearm Pronosupination Unit Terminal Device

Active joint Passive joint

Simulazioni cinematiche e cinetostatiche

θ1

G1 θ2

G2 GH θH

(a)

Modello di protesi

(b)

KP

(c)

FL

(d)

C

(e)

(f)

I

Fig. (a)

Funzionalità Insufficiente

Fig. (b)

“

Fig. (c)

“

I r = w1 ⋅ KPr + w2 ⋅ FLr − w3 ⋅ C r

Fig. (d)

0.9189

0.9926

0.2499

0.5699

Fig. (e)

0.8541

0.9856

0.1741

0.5698

Fig. (f)

0.8090

0.9993

0.1013

0.5824

Progettazione

θ1

Frame (socket)

G1

θ1

G1

Harmonic drive

Encoder Motor

θ2

Anti-return System

θ2

Ball Screw

G2

G2

Helical transmission gear Antireturn System

∆θ1 = 158° ∆θ2 = 143° P1 ≈ 4 W P2 ≈ 20 W

Bearings for revolute joints

Planetary Gearhead

Motor

Encoder

Solenoid Nut

Progettazione

Invasatura Harmonic drive Encoder

θ1

Motore

θ2

Dispositivo antiritorno

Progettazione

θ2

θ2

“Telaio” Biella

Vite a ricircolo di sfere Motore

Riduttore epicicloidale

Corsoio Encoder

Dispositivo di antiritorno

Progettazione

Dispositivo di bloccaggio 

ON



OFF

θ2

Planetary Gearhead

Motor

Anti-return

Encoder system

Prototipazione

Prototipo del meccanismo G1

Due meccanismi indipendenti (G1 e G2) con 1 DoF ciascuno attuano un moto sferico - G1 può essere visto come un semplice moto-riduttore - G2 è un meccanismo articolato (inversione del manovellismo di spinta)

G2

Massa Potenza massima Motore Tensione nominale Motore Velocità massima Coppia massima Escursione angolare

[g] [W] [V]

G1 200 4.55 6

G2 650 17 12

[°/s] [N·m] [°]

36 3 360

36 13 143

Test a banco del prototipo Scopo: – Valutazione sperimentale delle performances del prototipo – Valutazione sperimentale della qualità delle lavorazioni – Determinazione di indici caratteristici: rendimento globale e rendimento meccanico del meccanismo

ηg =

Lr Lr Lm = = η m η el Le Lm Le

ηel Le

Motore

ηm Lm

Meccanismo

Lr

Carico esterno

Ld

Valutazione dei rendimenti durante cicli di carico

Test a banco del prototipo q2

Tr (q ) ⋅ dq ∫ Lr q1 ηm = = η el ⋅ Le η ⋅ t2 V (t ) ⋅ i (t ) ⋅ dt el ∫ t1

Diverse prove al variare di:  coppia applicata  legge di moto Legge di moto:

Test a banco del prototipo

Necessità di Motion Control e Data Acquiring simultanei Output di controllo - 7 segnali PWM a 20 KHz - 8 output digitali di controllo

Segnali da acquisire - 3 encoders a 512 linee/giro - 6 fine corsa - 3 tensioni differenziali - 9 correnti

Test a banco del prototipo

Una soluzione integrata: CompaqtRIO NI 9474 Modulo di digital output utilizzato per la generazione dei segnali PWM e dei segnali di controllo

NI 9201

NI 9425

Modulo di analog

Modulo di digital

input utilizzato

input utilizzato

per l’acquisizione dei segnali di

per l’acquisizione degli encoders

tensione e corrente

e per i fine corsa

Test a banco del prototipo

Test a banco del prototipo Risultati delle prove sperimentali ηg

ηm

1

ηg 1

2 Nm 1.5 Nm 1 Nm 0.5 Nm

ηm

1

1

0.8

0.8

0.6

0.6

0.6

0.4

0.4

0.4

0.4

0.2

0.2

0.2

0.2

0.8

0.8

0.6

0

10 20 30 40 Follower axis velocity [deg/s]

50

0

10 20 30 40 Follower axis velocity [deg/s]

0

50

10 20 30 40 Follower axis velocity [deg/s]

Meccanismo spalla G1 ηg

1

0.8

0.8

0.6

0.6

0.4

0.4

0.2

0.2

0

10 20 30 40 Follower axis velocity [deg/s]

0

10 20 30 40 Follower axis velocity [deg/s]

Meccanismo spalla G2 ηm

1

50

13 Nm 12 Nm 9 Nm 7 Nm 4.86 Nm 0.53 Nm

50

0

6 Nm 5.5 Nm 5 Nm 4.5 Nm 4 Nm 3.5 Nm 3 Nm 2.5 Nm 2 Nm 1.5 Nm 1 Nm 0.497 Nm

10 20 30 40 Follower axis velocity [deg/s]

Gomito

50

50

Unità di controllo 6 cm

Bluetooth EMG inputs

Microcontroller Elbow driver

Shoulder G2 driver

Shoulder G1 driver

Hand & Wrist drivers

(Microchip PIC18F4431)

Prove in-vivo

• • •

•

Maschio 32 anni Infortunio sul lavoro nel 2003: amputazione transomerale prossimale braccio destro e amputazione parziale complessa della mano sinistra Prima protesi mioelettrica nel 2004

Prove in-vivo

• •

Segnali EMG su trapezio e deltoide Cambio motore tramite interruttore di trazione • Impiego di un pulsante esterno comandato a mano per questo esperimento

Risultati

1) Da un punto di vista tecnico, il prototipo ha confermato le prestazioni previste/simulate, per ciò che riguarda la mobilità concessa all’intero arto, il rendimento dei meccanismi e le caratteristiche elettriche. tuttavia

2) La strategia di controllo tramite interruttore di trazione (pulsante) non permette di sfruttare appieno la mobilità della protesi. 3) il rumore del meccanismo è eccessivo e va necessariamente ridotto 4) l’invasatura dovrebbe essere modificata (con un’area di contatto più grande) per ridurre il carico al moncone e al torace (che causa dolore) durante il funzionamento della protesi

Sviluppi in corso di studio

• Sviluppo e implementazione di diverse strategie di controllo che sfruttino il comando vocale • Sensorizzazione dell’unità di pronosupinazione • Sviluppo rotatore omerale motorizzato • Modifiche progettuali all’articolazione di spalla

Grazie per l’attenzione