La presente tesi espone lo sviluppo di muscoli pneumatici artificiali adatti ad essere integrati in un vestito attivo al fine di sviluppare un prototipo di maglietta per la movimentazione delle braccia con l’idea che l’uso di tessuti, invece che di esoscheletri rigidi, possano risolvere contemporaneamente i problemi di mobilità e di ergonomia. Gli attuatori pneumatici tradizionali, com’è noto, hanno larga diffusione per l’elevato rapporto potenza-peso, i costi contenuti, la facilità d’installazione e la robustezza; assicurano una grande efficienza, specialmente in quelle applicazioni automatiche in cui sono richieste una serie di movimentazioni ripetitive o nelle applicazioni robotiche in ambienti confinati, come quello industriale. Ci sono altri ambiti, tuttavia, in cui i dispositivi ad azionamento pneumatico si trovano a operare in ambienti non confinati, nei quali gli attuatori tradizionali non trovano largo impiego. In determinate situazioni, per motivi di sicurezza, le movimentazioni devono avvenire evitando che le parti in movimento costituiscano un pericolo per gli utilizzatori. È il caso, ad esempio, del settore medico degli ausili attivi per la riabilitazione motoria e dei dispositivi ortotici, in cui il paziente si interfaccia direttamente con dispositivi che hanno una capacità di movimento autonoma. In questi casi è necessario che l’attuatore sia intrinsecamente sicuro; pertanto, non deve costituire un sistema rigido in movimento, ma presentare un’adeguata cedevolezza. Nei suddetti casi, una soluzione è rappresentata dall’impiego di attuatori pneumatici non tradizionali progettati e realizzati ad hoc per specifiche applicazioni, quali i muscoli pneumatici artificiali, al cui sviluppo sono impegnati da diversi anni molti gruppi di ricerca. I muscoli pneumatici artificiali (PAM - Pneumatic Artificial Muscles) sono degli attuatori lineari flessibili che nascono ad imitazione del muscolo umano e, alimentati da energia pneumatica, aumentano di volume e si contraggono compiendo lavoro. Gli attuatori muscolari a fluido possono operare in ambienti ostili, con forti gradienti di temperatura, vibrazioni, polveri e disturbi elettromagnetici. Sono inoltre in grado di operare agevolmente in presenza di montaggi con disallineamenti significativi senza introdurre onerose sollecitazioni dovute a configurazioni iperstatiche. Sono economici, leggeri, capaci di esercitare grandi forze in rapporto al loro peso; sono dotati di tenute statiche e, pertanto, a differenza di quanto avviene nelle tenute striscianti, esenti da perdite per attriti e da fughe di fluido di lavoro; sono in grado di operare con fluidi diversi, come acqua, aria e olio, senza particolari esigenze. Nel corso degli anni, diverse tipologie di muscoli pneumatici sono state utilizzate dai ricercatori per realizzare innumerevoli robot antropomorfi e ortesi per la riabilitazione. Nel primo capitolo è illustrato il principio di funzionamento dei muscoli pneumatici e viene esposta una panoramica dello stato dell’arte di tali attuatori e delle principali ortesi per la movimentazione dell’arto superiore. Le ortesi presenti in letteratura sono dispositivi piuttosto ingombranti che si servono di esoscheletri principalmente metallici come base d’appoggio. Per questo motivo, l’attività principale della tesi è stata lo sviluppo di muscoli pneumatici artificiali leggeri e affidabili, con rapporti potenza/peso elevati e in grado di fornire contrazioni vicine al 30% della propria lunghezza a riposo, al fine di garantire prestazioni tali da renderli idonei ad essere applicati in un vestito attivo per la riabilitazione delle braccia. Nel secondo capitolo sono presentati i prototipi di muscoli realizzati presso il Politecnico di Torino (prototipi DIMEAS): i muscoli di stoffa e i muscoli a rete, le cui caratteristiche sono state studiate eseguendo dei test pressione-forza e pressione-contrazione mediante un banco prova allestito ad hoc. Vengono inoltre confrontate le prestazioni delle due differenti tipologie di muscolo ed è approfondito lo studio dei muscoli a rete, che risultano essere i più performanti e assolutamente idonei allo scopo. In particolare, nel terzo capitolo, vengono proposti due modelli, uno sperimentale e uno analitico, sviluppati allo scopo di rappresentare il comportamento dei prototipi a rete DIMEAS. Il modello sperimentale nasce con l’esigenza di rappresentare il più incisivamente possibile il prototipo a rete DIMEAS di taglia piccola (diametro interno 13 mm), al fine di fornire previsioni sullo stato futuro del muscolo durante le fasi di lavoro. In questo modo si ottengono delle formule in grado di descrive la probabile evoluzione del muscolo e che possono essere utilizzate per la buona gestione di un sistema di controllo adibito al comando di tali attuatori in possibili applicazioni. Il modello analitico, invece, rappresenta il modello fisico del muscolo. Si tratta di una formula nuova basata sulla geometria di un muscolo considerato nella fase di riposo e durante le fasi di lavoro. In questo modo si ottiene una formulazione matematica che permette di ricavare le grandezze di interesse del sistema in funzione di specifici parametri, permettendo di interpretare in termini qualitativi il comportamento del sistema. Questo modello può risultare quindi molto utile ai fini della progettazione perché permette di adattare la geometria dei muscoli in base alle esigenze di forze e contrazioni necessarie per le diverse applicazioni, compatibilmente con la struttura originale del muscolo su cui si basa il modello. Nel quarto capitolo viene mostrato un prototipo di maglietta attiva per la movimentazione delle braccia in grado di compiere l’anteposizione del braccio, la flesso-estensione e la prono-supinazione dell’avambraccio. I muscoli utilizzati per l’esecuzione dei movimenti sono i prototipi a rete DIMEAS di taglia piccola (diametro interno 13 mm) di diverse lunghezze, per ottenere la contrazione necessaria a produrre i diversi movimenti. Sono inoltre presentate due proposte di circuiti elettropneumatici con relativi schemi di controllo per lo svolgimento di due possibili terapie per un paziente in fase di riabilitazione.

Studio di Muscoli Pneumatici Innovativi e Loro Integrazione in Vestiti Attivi a Scopo Riabilitativo / Sirolli, SILVIA ALESSANDRA. - (2015).

Studio di Muscoli Pneumatici Innovativi e Loro Integrazione in Vestiti Attivi a Scopo Riabilitativo

SIROLLI, SILVIA ALESSANDRA
2015

Abstract

La presente tesi espone lo sviluppo di muscoli pneumatici artificiali adatti ad essere integrati in un vestito attivo al fine di sviluppare un prototipo di maglietta per la movimentazione delle braccia con l’idea che l’uso di tessuti, invece che di esoscheletri rigidi, possano risolvere contemporaneamente i problemi di mobilità e di ergonomia. Gli attuatori pneumatici tradizionali, com’è noto, hanno larga diffusione per l’elevato rapporto potenza-peso, i costi contenuti, la facilità d’installazione e la robustezza; assicurano una grande efficienza, specialmente in quelle applicazioni automatiche in cui sono richieste una serie di movimentazioni ripetitive o nelle applicazioni robotiche in ambienti confinati, come quello industriale. Ci sono altri ambiti, tuttavia, in cui i dispositivi ad azionamento pneumatico si trovano a operare in ambienti non confinati, nei quali gli attuatori tradizionali non trovano largo impiego. In determinate situazioni, per motivi di sicurezza, le movimentazioni devono avvenire evitando che le parti in movimento costituiscano un pericolo per gli utilizzatori. È il caso, ad esempio, del settore medico degli ausili attivi per la riabilitazione motoria e dei dispositivi ortotici, in cui il paziente si interfaccia direttamente con dispositivi che hanno una capacità di movimento autonoma. In questi casi è necessario che l’attuatore sia intrinsecamente sicuro; pertanto, non deve costituire un sistema rigido in movimento, ma presentare un’adeguata cedevolezza. Nei suddetti casi, una soluzione è rappresentata dall’impiego di attuatori pneumatici non tradizionali progettati e realizzati ad hoc per specifiche applicazioni, quali i muscoli pneumatici artificiali, al cui sviluppo sono impegnati da diversi anni molti gruppi di ricerca. I muscoli pneumatici artificiali (PAM - Pneumatic Artificial Muscles) sono degli attuatori lineari flessibili che nascono ad imitazione del muscolo umano e, alimentati da energia pneumatica, aumentano di volume e si contraggono compiendo lavoro. Gli attuatori muscolari a fluido possono operare in ambienti ostili, con forti gradienti di temperatura, vibrazioni, polveri e disturbi elettromagnetici. Sono inoltre in grado di operare agevolmente in presenza di montaggi con disallineamenti significativi senza introdurre onerose sollecitazioni dovute a configurazioni iperstatiche. Sono economici, leggeri, capaci di esercitare grandi forze in rapporto al loro peso; sono dotati di tenute statiche e, pertanto, a differenza di quanto avviene nelle tenute striscianti, esenti da perdite per attriti e da fughe di fluido di lavoro; sono in grado di operare con fluidi diversi, come acqua, aria e olio, senza particolari esigenze. Nel corso degli anni, diverse tipologie di muscoli pneumatici sono state utilizzate dai ricercatori per realizzare innumerevoli robot antropomorfi e ortesi per la riabilitazione. Nel primo capitolo è illustrato il principio di funzionamento dei muscoli pneumatici e viene esposta una panoramica dello stato dell’arte di tali attuatori e delle principali ortesi per la movimentazione dell’arto superiore. Le ortesi presenti in letteratura sono dispositivi piuttosto ingombranti che si servono di esoscheletri principalmente metallici come base d’appoggio. Per questo motivo, l’attività principale della tesi è stata lo sviluppo di muscoli pneumatici artificiali leggeri e affidabili, con rapporti potenza/peso elevati e in grado di fornire contrazioni vicine al 30% della propria lunghezza a riposo, al fine di garantire prestazioni tali da renderli idonei ad essere applicati in un vestito attivo per la riabilitazione delle braccia. Nel secondo capitolo sono presentati i prototipi di muscoli realizzati presso il Politecnico di Torino (prototipi DIMEAS): i muscoli di stoffa e i muscoli a rete, le cui caratteristiche sono state studiate eseguendo dei test pressione-forza e pressione-contrazione mediante un banco prova allestito ad hoc. Vengono inoltre confrontate le prestazioni delle due differenti tipologie di muscolo ed è approfondito lo studio dei muscoli a rete, che risultano essere i più performanti e assolutamente idonei allo scopo. In particolare, nel terzo capitolo, vengono proposti due modelli, uno sperimentale e uno analitico, sviluppati allo scopo di rappresentare il comportamento dei prototipi a rete DIMEAS. Il modello sperimentale nasce con l’esigenza di rappresentare il più incisivamente possibile il prototipo a rete DIMEAS di taglia piccola (diametro interno 13 mm), al fine di fornire previsioni sullo stato futuro del muscolo durante le fasi di lavoro. In questo modo si ottengono delle formule in grado di descrive la probabile evoluzione del muscolo e che possono essere utilizzate per la buona gestione di un sistema di controllo adibito al comando di tali attuatori in possibili applicazioni. Il modello analitico, invece, rappresenta il modello fisico del muscolo. Si tratta di una formula nuova basata sulla geometria di un muscolo considerato nella fase di riposo e durante le fasi di lavoro. In questo modo si ottiene una formulazione matematica che permette di ricavare le grandezze di interesse del sistema in funzione di specifici parametri, permettendo di interpretare in termini qualitativi il comportamento del sistema. Questo modello può risultare quindi molto utile ai fini della progettazione perché permette di adattare la geometria dei muscoli in base alle esigenze di forze e contrazioni necessarie per le diverse applicazioni, compatibilmente con la struttura originale del muscolo su cui si basa il modello. Nel quarto capitolo viene mostrato un prototipo di maglietta attiva per la movimentazione delle braccia in grado di compiere l’anteposizione del braccio, la flesso-estensione e la prono-supinazione dell’avambraccio. I muscoli utilizzati per l’esecuzione dei movimenti sono i prototipi a rete DIMEAS di taglia piccola (diametro interno 13 mm) di diverse lunghezze, per ottenere la contrazione necessaria a produrre i diversi movimenti. Sono inoltre presentate due proposte di circuiti elettropneumatici con relativi schemi di controllo per lo svolgimento di due possibili terapie per un paziente in fase di riabilitazione.
2015
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