Proof of concept di un modulatore di forza per il training e la riabilitazione delle mani dei pianisti = Proof of concept of a force modulator for pianists' hands rehabilitation and training

I musicisti professionisti sono coloro che attraverso il movimento e il controllo del corpo riescono a creare Musica usando uno o più strumenti musicali. La melodia creata è quindi funzione della abilità di chi suona, abilità che a sua volta dipende dal tempo impiegato dal musicista nell’esercizio. Qui vi è l'intersezione tra la musica e l'ingegneria biomedica, dal momento che proprio il tempo dedicato all’esercizio unito a tecniche e posizioni non fisiologiche può costituire la causa di diversi disturbi del sistema muscolo-scheletrico degli arti superiori. Questo progetto di laurea mira ad un proof of concept di un sistema che, sfruttando la modulazione della forza, consenta lo sviluppo di un prototipo di un dispositivo per la riabilitazione e il training della mano del musicista. Obiettivo della tesi è la creazione di un meccanismo controllato elettronicamente che permetta di simulare le condizioni di carico percepite da un pianista nell’atto di premere i tasti di un pianoforte. Al fine di consentire la riabilitazione del soggetto al corretto utilizzo della propria struttura muscolo-scheletrica, o di evitare l’insorgenza di future patologie su soggetti sani, la principale necessità risiede nella modulazione delle condizioni di carico tra un carico quasi nullo e il carico corrispondente al peso di un tasto. Il meccanismo qui sviluppato sfrutta il principio della leva: una barra metallica viene incastrata ad una estremità, vincolata nella zona centrale con un vincolo mobile controllato elettronicamente attraverso un microcontrollore e posta in carico dal musicista all'estremità opposta. Il vincolo mobile funziona da fulcro e variandone la posizione è possibile modulare la forza da applicare per far flettere la barra metallica di una quantità pre-stabilita. Per creare l’unità base di funzionamento del dispositivo sono state studiate due possibili sollecitazioni meccaniche di una barra metallica. I due modelli variano in funzione dei gradi di libertà che il vincolo mobile riesce a bloccare: il primo caso prevede che il vincolo si comporti come un semplice appoggio bloccando il grado di libertà traslazionale verticale, mentre il secondo prevede un vincolo “spesso” che permetta di bloccare sia il grado di libertà traslazionale verticale che il grado di libertà rotazionale intorno all’asse ortogonale al primo e all’asse longitudinale alla barra metallica. Ipotizzate quindi le condizioni di carico e vincoli è stato possibile risolvere analiticamente i due modelli e calcolare la freccia nella zona di carico della barra metallica con la quale, una volta stabilito il suo valore, definire le variabili descrittive della barra metallica: larghezza, modulo elastico, spessore. A valle della realizzazione dell’unità base così dimensionata, è stato implementato un banco sperimentale destinato alla verifica del modello analitico, al quale è stato in seguito affiancato un modello agli elementi finiti al fine di considerare le nonlinearità geometriche presenti nel sistema e meglio rappresentare la realtà sperimentale. I risultati ottenuti dalla analisi FEM hanno permesso di validare e confermare le formule ricavate analiticamente, mentre il prototipo dell’unità base ha permesso di verificare la funzionalità del meccanismo ideato. Grazie ai metodi analitici, numerici (analisi agli elementi finiti) e sperimentali, il meccanismo è stato quindi dimensionato, realizzato e testato sperimentalmente, generando così una proof of concept dell’unità base del dispositivo.