Progettazione e validazione di un workbench per analisi biomeccanica dell'articolazione di ginocchio = Design and validation of a workbench for knee joint biomechanical analysis

L'articolazione del ginocchio è una delle più complesse individuabili nel corpo umano. La sua funzione è spesso associata a una semplice cerniera, mentre invece dimostra un comportamento ben più complesso grazie al gran numero di tessuti, molli o ossei, che intervengono durante la sua azione. Uno dei metodi di analisi possibili per l'articolazione è il metodo sperimentale. La tesi è volta alla realizzazione di un sistema in grado di consentire l'analisi cinematica del ginocchio, per l'estensione attiva in open chain. In primo luogo, è stato necessario progettare una struttura in metallo che potesse sorreggere lo specimen e lo tenesse saldo durante l'esercizio. La struttura doveva essere in grado di poter ruotare per poter regolare l'esposizione della gamba rispetto a un sistema di motion capture già installato nel laboratorio. Dopo una prima fase di design, è seguita una lunga fase di ottimizzazione di ciascun componente per ottenere una struttura altamente modulabile, così da poterla adattare a diversi test. Una volta terminata la prima fase, è stata studiata l'estensione della gamba. Essendo l'analisi di un movimento attivo, il test doveva essere effettuato simulando la contrazione del quadricipite femorale. Un motore DC è stato utilizzato come attuatore lineare grazie a un "cappello" progettato e inserito sull'albero rotante. Questo elemento è stato incisivo nel progetto e la forza che il motore applicava per il movimento ne era strettamente legata. Un'accurata fase di calibrazione è stata necessaria per poter considerare attendibili i dati acquisiti dal sistema. Il pattern di attuazione ha richiesto diversi passaggi e meeting, in cui si è assodato che il servo-driver associato al motore non era in grado di fornire un'adeguato controllo dell'estensione. Per questo motivo, è stato necessario l'implementazione di un sistema di controllo del motore basato sul feedback, ottenuto grazie alla costante comunicazione tra servo, motore e microprocessore Arduino. Notevoli controlli e calibrazioni sono stati effettuati per garantire la sicurezza del motore, soprattutto riguardo alla temperatura di lavoro del dispositivo. E' stato necessario discutere con un ingegnere dell'azienda proprietaria del motore per questo, poiché sono state riscontrate discrepanze nei modelli forniti nei datasheet. I test sono stati effettuati su un modello osseo con protesi da revisione, sul quale è stato simulato anche il contributo della rotula. I dati acquisiti si dimostrano coerenti con la letteratura, e la loro analisi statistica accerta coerenza e riproducibilità del sistema. Una problematica sulla velocità di rotazione è subentrata verso la fine del progetto, dove il motore si è dimostrato inadatto a operare in condizioni quasi statiche. Un test per dimostrare l'efficacia di un riduttore è stato effettuato nell'ottica di acquistare l'elemento in un secondo momento.