Ricerca bibliografica sulla resistenza passiva delle articolazioni dell'arto superiore e analisi numerica multibody = Literature research on upper limb passive joint resistance and multibody numerical analysis

Questo lavoro di tesi analizza la resistenza passiva delle articolazioni dell’arto superiore, spalla, gomito e polso al fine di implementarle in un modello multibody di androide. È stata effettuata un’estesa analisi bibliografica dei lavori sperimentali presenti in letteratura con l’obiettivo di confrontare le formulazioni di rigidezza proposte sia dal punto di vista analitico sia numerico, con riferimento a ciascun grado di libertà delle diverse articolazioni. Il confronto analitico tra le varie formulazioni è stato eseguito, per ogni articolazione e per ogni grado di libertà, considerando per la spalla tre movimenti (flesso-estensione, abduzione-adduzione nel piano frontale e rotazione assiale), mentre per il gomito e il polso solo il movimento di flesso-estensione. Nello specifico, da ogni studio è stato estrapolato il rispettivo andamento del momento flettente/torcente in funzione dell’angolo articolare e il range of motion (ROM) consentito per ciascun grado di libertà delle articolazioni in esame. Le formulazioni prese in considerazione possono essere sia di tipo lineare sia non lineare. Da questa prima analisi analitica sono emerse differenze significative tra i diversi autori sia in termini di range of motion sia in termini di rigidezza passiva. Successivamente, le leggi di resistenza passiva ritenute attendibili (ossia quelle in cui la coppia resistente aumenta bruscamente in prossimità dei limiti del range of motion), sono state implementate all’interno di un modello multibody di androide in ADAMS per valutarne gli effetti nel corso di una dinamica di caduta. Le simulazioni numeriche sono state svolte utilizzando un modello ATB (Articulated Total Body) a 17 segmenti collegati con vincoli cinematici atti a replicare le articolazioni. Nello specifico è stata simulata la caduta nel vuoto da 5m di altezza, con un urto del braccio sinistro contro un ostacolo intermedio al successivo impatto sul terreno. Dai risultati ottenuti si è osservato che l’implementazione delle diverse leggi di resistenza passiva formulate da autori differenti hanno prodotto andamenti dell’angolo articolare nel tempo molto simili tra loro, ma che differiscono per i valori di picco raggiunti a seconda delle formulazioni implementate. Viceversa nella fase che segue l’impatto con il terreno, gli andamenti angolari assumono valori molto differenti a seconda della legge implementata: l’articolazione, infatti, tende a stabilizzarsi nell’intorno dell’angolo in cui è presente la minima coppia articolare. Tutte le formulazioni lineari hanno portato, in fase di simulazione, ad avere movimenti angolari più contenuti e hanno anche un’influenza sulla cinematica globale di caduta. Le differenze massime tra le simulazioni sono emerse per l’articolazione della spalla, una giunzione simulata con un giunto sferico e avente un più ampio range di movimento rispetto alle altre articolazioni. Il gomito e il polso hanno, invece formulazioni di rigidezza passiva che differiscono solo in termini di ampiezza del range of motion; generalmente mantengono lo stesso andamento durante tutta la simulazione, salvo per la posizione finale dell’arto.