Riassunto analitico
WalkMECH è un prototipo di protesi transfemorale passiva, destinato a chi ha subito un'amputazione all'altezza della coscia e progettato per camminare a velocità “normale” (normal walking in letteratura).
Il prototipo nasce nell'Università di Twente e su di esso sono stati svolti esperimenti in laboratorio particolarmente onerosi sotto molteplici punti di vista:
- occorrono diversi tecnici di laboratorio per il set-up dell'esperimento e attrezzature particolarmente costose;
- sono previsti protocolli di sicurezza, dato che gli esperimenti coinvolgono gli utilizzatori di WalkMECH;
- è necessaria la presenza di un soggetto amputato con determinate caratteristiche (per esempio peso, altezza ed età specifici);
- ci sono aspetti di tutela della privacy rilevanti, che occorre considerare nel caso si desideri pubblicare i risultati degli esperimenti.
Incoraggiati dai risultati ottenuti, si desidera studiare ulteriormente WalkMECH. Nel prototipo sono presenti tre sistemi per il recupero di energia, evidenziando un certo grado di complessità.
Si ritiene, pertanto, necessario definire un modello dinamico del prototipo in un ambiente di simulazione professionale. In questo modo sarà possibile:
- impostare nuovi esperimenti in ambiente virtuale, sicuramente più economici, per prevedere il comportamento della protesi reale;
- analizzare dettagliatamente il funzionamento della protesi, per esempio il ruolo di ogni sistema nel raggiungimento del risultato;
- compiere esperimenti fisicamente impossibili: assenza di attrito, attivando solo alcuni sistemi o parte di essi, ecc.;
- verificare l’impatto di future modifiche o soluzioni migliorative.
Nel corso dell’attività di tesi, acquisito il CAD della protesi e operate alcune modifiche per rispettare operazioni di taratura sul prototipo reale, è stato definito un modello dinamico tramite software multibody, nello specifico Recurdyn V8.
Si è cercato un livello di complessità superiore ai modelli precedenti, che consenta in futuro esperimenti numerici di diverse tipologie.
Con questo obiettivo, importato il CAD “tarato”, sono state create le coppie cinematiche tra i componenti, in maggioranza corpi rigidi, nel rispetto dei cinematismi di progetto.
Le molle presenti nel CAD sono state sostituite da elementi “spring” della libreria Professional.
Sono poi stati imposti vincoli di contatto tra i corpi rigidi e non solo, infatti, si è entrati nel dettaglio anche di componenti deformabili in carbonio come il tacco e la punta del piede. Questi ultimi nel contatto col suolo flettono elasticamente, quindi è stata utilizzata FFlex una libreria FEM non lineare integrata con l'analisi dinamica.
A titolo di esempio è riportato un esperimento numerico che imita i test svolti nei laboratori dell'Università di Twente.
Il test scelto serve a verificare l'efficienza della protesi e prevede che un soggetto amputato cammini a velocità normale su un particolare tapis roulant per la riabilitazione. Grazie al sistema di acquisizione vengono misurati alcuni parametri nel tempo tra cui l'orientamento della coscia e l'andamento delle forze di contatto tra protesi e suolo.
Per imporre le condizioni al contorno nel modello dinamico si è ricavata la traiettoria percorsa dal centro della testa del femore durante l'esperimento in laboratorio. La traiettoria approssimata si è ricavata analizzando il video del test tramite la libreria Image processing di MATLAB. La simulazione in Recurdyn ha quindi in ingresso la traiettoria approssimata e l'orientamento della coscia misurato sperimentalmente.
Negli ultimi capitoli si descrive il comportamento della protesi virtuale durante la simulazione svolta. Infine, si confrontano le forze di contatto tra suolo e protesi numeriche con quelle misurate in laboratorio e sono discussi i risultati ottenuti.
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