Indice 1

(1)

Indice

1 Introduzione ... 6

2 Elementi di Fisiologia articolare ... 7

2.1 Introduzione... 7

2.2 Il complesso articolare del piede: la caviglia... 7

2.2.1 Movimento di flesso-estensione... 9

2.2.2 I movimenti di rotazione longitudinale e di lateralità del piede. ... 10

2.2.3 Movimento di adduzione ed abduzione... 10

2.2.4 Movimento di pronazione e supinazione... 11

2.3 Il movimento della caviglia come composizione di movimenti elementari... 11

2.4 Conclusione ... 12 3 La pedana TreT3...Errore. Il segnalibro non è definito. 3.1 La Necessità...Errore. Il segnalibro non è definito. 3.2 Lo stato dell’arte ...Errore. Il segnalibro non è definito. 3.2.1 La pedana TCC1...Errore. Il segnalibro non è definito. 3.3 La scelta della macchina dissipativa ...Errore. Il segnalibro non è definito. 3.3.2 La scelta dei freni magnetoreologici ...Errore. Il segnalibro non è definito.

3.4 Necessità conseguenti alla natura passiva della macchinaErrore. Il segnalibro non è definito. 3.4.3 Trasparenza all’azione dell’utente ...Errore. Il segnalibro non è definito.

3.4.4 La riduzione del peso...Errore. Il segnalibro non è definito. 3.4.5 Le disposizione delle masse...Errore. Il segnalibro non è definito. 3.4.6 La cinematica e i centri di rotazione in relazione alla fisiologia ...Errore. Il segnalibro non è definito.

3.4.7 L’interfaccia fisica...Errore. Il segnalibro non è definito. 3.4.8 Sicurezza “intrinseca”...Errore. Il segnalibro non è definito. 3.5 Caratteristiche principali della TreT3 ...Errore. Il segnalibro non è definito. 4 Le frizioni magnetoreologiche ...Errore. Il segnalibro non è definito. 4.1 Introduzione...Errore. Il segnalibro non è definito. 4.2 I fluidi MRF-240BS...Errore. Il segnalibro non è definito. 4.3 Freni o Frizioni ?...Errore. Il segnalibro non è definito. 5 Fluidi MR ...Errore. Il segnalibro non è definito. 5.1 Generalità ...Errore. Il segnalibro non è definito. 5.2 Caratteristiche reologiche e modello di Bingham Errore. Il segnalibro non è definito. 5.3 Dispositivi di controllo del fluido...Errore. Il segnalibro non è definito.

5.3.1 Valve mode ...Errore. Il segnalibro non è definito. 5.3.2 Direct-shear mode ...Errore. Il segnalibro non è definito. 6 Studio di un apparato sperimentale per la caratterizzazione statica di un freno magnetoreologico...Errore. Il segnalibro non è definito. 6.1 Introduzione...Errore. Il segnalibro non è definito. 7 Specifica dell’apparato sperimentale ...Errore. Il segnalibro non è definito. 7.1 Problema...Errore. Il segnalibro non è definito. 7.2 Prestazioni ...Errore. Il segnalibro non è definito. 7.3 Rigidezza ...Errore. Il segnalibro non è definito. 7.4 Intervallo di Temperatura...Errore. Il segnalibro non è definito. 7.5 Interfacce ...Errore. Il segnalibro non è definito. 8 Soluzione...Errore. Il segnalibro non è definito. 8.1 Descrizione dell’apparato sperimentale ...Errore. Il segnalibro non è definito. 8.2 Modalità della prova eseguita a “priorità di carico”Errore. Il segnalibro non è definito.

(2)

9 Descrizione dello strumento software ed hardware utilizzato per l’acquisizione dei dati sperimentali ...Errore. Il segnalibro non è definito. 9.1 Generalità ...Errore. Il segnalibro non è definito. 9.2 Concetti fondamentali ...Errore. Il segnalibro non è definito. 9.3 Data flow ...Errore. Il segnalibro non è definito. 9.4 Descrizione dell’Hardware...Errore. Il segnalibro non è definito. 9.5 Specifiche del codice di acquisizione ...Errore. Il segnalibro non è definito. 9.5.1 Specifiche riguardanti il trattamento dei dati...Errore. Il segnalibro non è definito.

9.5.2 Specifiche riguardanti i segnali di uscita....Errore. Il segnalibro non è definito. 9.6 Descrizione del codice di acquisizione dati ...Errore. Il segnalibro non è definito. 9.6.3 VI Prova Statica a priorità di carico ...Errore. Il segnalibro non è definito. 9.6.4 VI Prova Statica a Priorità di coppia frenante ...Errore. Il segnalibro non è definito.

10 Risultati ...Errore. Il segnalibro non è definito. 10.1 Procedura...Errore. Il segnalibro non è definito. 10.2 Rappresentazione in forma grafica dei risultati acquisiti nelle prove a priorità di

carico Errore. Il segnalibro non è definito.

10.3 Analisi dei risultati per le prove a priorità di caricoErrore. Il segnalibro non è definito.

10.4 Analisi dei risultati per le prove a priorità di coppia frenanteErrore. Il segnalibro non è definito. 10.5 Caratteristica del freno MR ...Errore. Il segnalibro non è definito.

11 Studio di un apparato sperimentale per la caratterizzazione dinamica di un freno magnetoreologico...Errore. Il segnalibro non è definito. 11.1 Introduzione...Errore. Il segnalibro non è definito. 12 Specifica dell’apparato sperimentale dinamico ...Errore. Il segnalibro non è definito. 12.1 Problema...Errore. Il segnalibro non è definito. 12.2 Prestazioni ...Errore. Il segnalibro non è definito. 12.3 Rigidezza ...Errore. Il segnalibro non è definito. 12.4 Intervallo di Temperatura...Errore. Il segnalibro non è definito. 12.5 Interfacce ...Errore. Il segnalibro non è definito. 13 Soluzione...Errore. Il segnalibro non è definito.

13.1 Descrizione dell’apparato sperimentale dinamicoErrore. Il segnalibro non è definito. 13.2 Modalità della prova eseguita a “velocità imposta”Errore. Il segnalibro non è definito. 13.3 Modalità della prova eseguita a “volano libero”Errore. Il segnalibro non è definito. 14 Modifiche alla pedana riabilitativa TreT3 ...Errore. Il segnalibro non è definito.

14.1 Introduzione...Errore. Il segnalibro non è definito. 14.2 Interventi ...Errore. Il segnalibro non è definito.

14.3 Confronto delle prestazioni tra la pedana TreT3 e TreT3S2Errore. Il segnalibro non è definito. 14.4 Studio del sistema di protezioni...Errore. Il segnalibro non è definito.

14.4.1 Imbardata ...Errore. Il segnalibro non è definito. 14.4.2 Beccheggio e rollio...Errore. Il segnalibro non è definito. 14.5 Sviluppi futuri...Errore. Il segnalibro non è definito. 15 Allegati: ...Errore. Il segnalibro non è definito.

Allegato 1) Catteristiche geometriche del Freno MRB-2107-3Errore. Il segnalibro non è definito. Allegato 2) Tabella riassuntiva delle principali caratteristiche meccaniche, geometriche

ed elettriche del Rotary Brake MRB-2107-3.Errore. Il segnalibro non è definito.

Allegato 3) Tabella di raffronto tra i diversi tipi di fluido magnetoreologico.Errore. Il segnalibro non è definito. Allegato 4) Wonder Box ...Errore. Il segnalibro non è definito.

Allegato 5) Taratura cella tonda ...Errore. Il segnalibro non è definito.

(3)

Allegato 7) Esempio di un file di acquisizione di una prova condotta con 500gr (a priorità di carico) ...Errore. Il segnalibro non è definito. Allegato 8) Esempio di un file di acquisizione di una prova condotta con 5Volt

(acquisizione a priorità di coppia frenante)Errore. Il segnalibro non è definito.

Allegato 9) Codici macro per le prove sperimentali a priorità di caricoErrore. Il segnalibro non è definito.

Allegato 10) Codici macro per le prove sperimentali a priorità di coppia frenanteErrore. Il segnalibro non è definito. Allegato 11) Specifica tecnica TreT3S2 ...Errore. Il segnalibro non è definito.

(4)

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA

Facoltà di Ingegneria

Corso di laurea in Ingegneria Meccanica

Tesi di laurea

Progetto costruttivo di una pedana riabilitativa a

controllo magnetoreologico.

Candidato

Salvatore Liberatori

Relatori:

Prof. Marco Beghini

Prof. Leonardo Bertini

Dott. Renzo Venturi

Data di laurea

23/7/2004

Archivio tesi corso di laurea in ingegneria meccanica 68/04

Anno accademico 2003/2004

(5)

Titolo della tesi

Progetto costruttivo di una pedana riabilitativa a controllo magnetoreologico.

di

Salvatore Liberatori

Tesi proposta per il conseguimento del titolo accademico di

DOTTORE IN INGEGNERIA MECCANICA

presso la Facoltà di Ingegneria

della

Università degli Studi di Pisa

Data della laurea 23/07/2004 Autore: Salvatore Liberatori Approvata da: Prof. Marco Beghini Prof. Leonardo Bertini Dott. Renzo Venturi

(6)

1 Introduzione

i

Nel presente elaborato si illustrano le varie fasi che hanno portato all’ottimizzazione di una pedana riabilitativa per il recupero motorio degli arti inferiori e si analizzano le caratteristiche meccaniche delle frizioni magnetoreologiche in essa adoperate. Tali frizioni sono caratterizzate dall’uso di fluidi particolari, detti appunto fluidi magnetoreologici (MR), che si distinguono per la peculiarità di variare le loro caratteristiche reologiche se sottoposti all’azione di un campo magnetico.

Progettata nell’ambito dell’esame di Costruzione di Macchine, la pedana si proponeva come strumento per la riabilitazione degli arti inferiori caratterizzato da elementi inediti quali:

1. tre gradi di libertà;

2. completa passività della macchina; 3. bassa inerzia.

Possiamo brevemente anticipare le motivazioni che hanno portato alla necessità di una ottimizzazione della pedana e che si basano essenzialmente su tre critiche mosse ad essa:

1. ingombro trasversale eccessivo; 2. mancanza di adeguate protezioni. 3. mancata specializzazione delle

riduzioni per i tre gradi di libertà; I dettagli sulla pedana, le motivazioni che hanno spinto all’uso delle frizioni magnetoreologiche e le caratteristiche dei fluidi magnetoreologici saranno esposte nei prossimi capitoli mentre nel successivo capitolo si ritiene opportuno introdurci a qualche concetto di fisiologia articolare.

Figura 1 Vista prospettica della pedana riabilitativa TreT3.

(7)

Elementi di Fisiologia articolare

___________________________________________________________________________ 7

2 Elementi di Fisiologia articolare

ii

2.1 Introduzione

In questo capitolo ci occuperemo soprattutto della fisiologia articolare relativa al piede ed alla caviglia in particolare; illustrando i movimenti permessi da essa ed introducendoci a definizioni, nomi e concetti, usati in questo ambito.

2.2 Il complesso articolare del piede: la caviglia

L’articolazione della caviglia si deve immaginare come un insieme di articolazioni; la principale è detta tibio-tarsica ed a volte, erroneamente, essa viene identificata con la caviglia stessa. Il complesso delle articolazioni della caviglia prevede infatti, oltre alla già citata articolazione tibo-tarsica, anche un insieme di articolazioni situate nel retropiede.

Questo complesso di articolazioni, coadiuvato dalla rotazione assiale del ginocchio, realizza l’equivalente di una sola articolazione con tre gradi di libertà che permette di orientare la volta plantare in tutta le direzioni: questa caratteristica ci permette ad esempio di adattarci naturalmente alle asperità del terreno durante la camminata o nella semplice stazione eretta.

Alla luce di quanto sopra esposto se volessimo ridurre ad un modello meccanico il complesso articolare della caviglia si potrebbe senza ombra di dubbio rifarsi alla cerniera sferica: si possono, infatti, individuare tre assi rispetto ai quali si può eseguire un movimento di rotazione elementare.

(8)

___________________________________________________________________________ 8

Di seguito sono descritti tali movimenti identificandone gli assi di rotazione.

I tre assi principali di questo complesso articolare si incontrano approssimativamente a livello del retropiede. Quando il piede è in atteggiamento normale, i tre assi risultano perpendicolari fra loro; in figura è illustrato il piede esteso e come si può notare l’estensione della caviglia modifica l’orientamento dell’asse Z.

1. X-X’: asse trasversale corrispondente all’asse della tibio-tarsica appartiene al piano frontale e condiziona i movimenti di flesso-estensione del piede che si effettuano nel piano sagittale.

Il modello meccanico della tibio-tarsica è quello di una cerniera cilindrica in cui i due elementi principali sono :

a. l’astragalo come elemento inferiore;

b. il perone come elemento superiore della cerniera e parte inferiore della tibia.

2. Y: asse longitudinale della gamba che condiziona i movimenti di adduzione–abduzione del piede che si effettuano nel piano trasversale. Tali movimenti sono possibili grazie alla rotazione assiale del ginocchio flesso.

In piccola misura i movimenti d’adduzione-abduzione sono dovuti alle articolazioni della parte posteriore del tarso; ma in questo caso sono sempre associati a movimenti attorno al terzo asse;

3. Z: asse longitudinale del piede è orizzontale e contenuto in un piano sagittale. Condiziona l’orientamento della pianta del piede permettendo di orientarla all’interno o all’esterno attraverso i movimenti di pronazione e supinazione.

Figura 2 Visualizzazione schematica dei tre assi di rotazione della caviglia.

(9)

___________________________________________________________________________ 9

2.2.1 Movimento di flesso-estensione

L’atteggiamento normale di un piede si realizza quando il piano plantare è perpendicolare all’asse della gamba; nella figura seguente tale posizione è identificata dalla lettera “A”. Partendo da questa posizione, la flessione della caviglia, viene definito come il movimento del

piede che ravvicina il dorso del piede alla faccia anteriore della gamba; si chiama anche flessione dorsale o dorso–flessione. In figura tale movimento viene identificato con la lettera “B”.

Inversamente, l’estensione della tibio-tarsica allontana il dorso del piede dalla faccia anteriore della gamba, mentre il piede tende ad allinearsi sul prolungamento della gamba; questo movimento è detto anche flessione plantare anche se l’uso di tale denominazione risulta improprio in quanto per flessione si intende sempre un movimento che conduce i segmenti di un arto verso il tronco.

Per una misurazione angolare, anziché riferirsi al centro della tibio-tarsica, come nella figura 3, è più comodo misurare l’angolo formato dalla pianta del piede con l’asse della gamba.

Se questo angolo è acuto (vedi figura 4 angolo b), si tratta di flessione; la sua ampiezza varia da 20 a 30° mentre con la zona tratteggiata si vuole indicare il margine delle variazioni individuali d’ampiezza, ossia 10°;

quando questo angolo è ottuso (angolo c), si ha l’estensione; la sua ampiezza varia da 30 a 50° mentre ora il margine delle variazioni individuali è più grande (20°) rispetto alla flessione.

Figura 3 movimento di flesso-estensione:

1. A-B Flessione-dorsale (o dorso-flessione);

2. A-C Estensione (o flessione-plantare).

Figura 4 angoli relativi al movimento di flesso-estensione misurati e dalla pianta del piede all’asse della gamba.

(10)

___________________________________________________________________________ 10

2.2.2 I movimenti di rotazione longitudinale e di lateralità del piede.

Oltre ai movimenti di flesso-estensione dove viene coinvolta l’articolazione tibio-tarsica, il piede, come è già stato anticipato, può anche effettuare movimenti attorno all’asse verticale della gamba (asse Y) ed attorno al proprio asse longitudinale (asse Z).

2.2.3 Movimento di adduzione

ed abduzione

Attorno all’asse Y, si effettuano, nel piano orizzontale i movimenti d’adduzione-abduzione (vedi in figura 5 le posture 2 e 3):

• Adduzione (postura 2): quando la punta del piede si porta in dentro, verso il piano di simmetria del corpo. • Abduzione (postura 3): quando la punta del piede gira all’esterno e s’allontana dal piano di simmetria. L’ampiezza totale dei movimenti d’adduzione-abduzione eseguiti unicamente nel piede varia dai 35° ai 45°. Tuttavia, questi movimenti della punta del piede nel piano orizzontale possono essere la conseguenza della rotazione esterna-interna della gamba (a ginocchio flesso) o della rotazione di tutto l’arto inferiore per mezzo dell’anca ( a ginocchio esteso). In questo ultimo caso risultano allora molto più ampi, potendo arrivare, come nel caso delle ballerine classiche ad un ampiezza totale di 90°.

Figura 5 Movimenti di rotazione longitudinale e di lateralità del piede.

1. Vista dal piano frontale del piede in atteggiamento normale;

2. movimento di adduzione;

3. movimento di abduzione;

4. movimento di supinazione;

(11)

___________________________________________________________________________ 11

2.2.4 Movimento di pronazione e supinazione

Attorno all’asse Z il piede ruota in modo da orientare la pianta (vedi in figura 5 la posizione 4 e 5): • supinazione: quando oriento la pianta del piede verso l’interno;

• pronazione: quando oriento la pianta del piede verso l’esterno.

L’ampiezza della supinazione è di 52° risulta maggiore della pronazione 25-30°

2.3 Il movimento della caviglia come composizione di movimenti elementari.

Da quanto sino ad ora esposto si può capire come sia complesso lo studio del movimento del piede in relazione alle sue articolazioni e non si è fatto alcun cenno alle articolazioni sottoastragaliche ed ai movimenti nella medio-tarsica che pure hanno un loro ruolo.

E’ bene ribadire che, tranne per la flesso – estensione, dove il movimento elementare e direttamente dipendente dall’articolazione tibio-tarsica, i movimenti di adduzione-abduzione e di prono-supinazione non esistono allo stato puro a livello delle sole articolazioni del piede; in altri termini non esistono articolazioni deputate specificatamente a questi movimenti. In definitiva le articolazioni del piede sono costituite in maniera tale che un movimento su uno dei piani, si accompagna obbligatoriamente ad un movimento negli altri due piani.

Così l’adduzione si accompagna necessariamente ad una supinazione (vedi in fig. 5 la postura 4) ed ad una modica estensione: è la posizione detta di inversione.

Analogamente l’abduzione si accompagna necessariamente alla pronazione ed alla flessione (vedi in fig. 5 la postura 5): è la posizione cosiddetta d’ eversione.

Così, salvo compensi a livello delle articolazioni del piede, l’adduzione non potrà mai essere associata alla pronazione e viceversa l’abduzione non potrà mai essere effettuata in coppia con la supinazione.

Vi sono quindi delle combinazioni di movimenti impedite dalla stessa architettura delle articolazioni del piede.

(12)

Elementi di Fisiologia articolare ___________________________________________________________________________ 12 ! " ! #$ $ ! ! "% #& ! ' ( ( ! ' ' $ ! &#% ' ) ) $ ! * #

Figura 6 Tabella riassuntiva degli spostamenti angolari e dell’entità e dell’entità degli sforzi associate al tipo di movimento.

2.4 Conclusione

Dopo questa sintetica introduzione alla fisiologia della caviglia e del piede, si vuole presentare la definizione di tre termini con cui, in meccanica, si indicano gli atti di moto di un corpo rigido cui gli è consentito di ruotare attorno a tre assi ortogonali tra loro.

Tale terminologia è frequentemente adottata in ambito automobilistico, nautico e aerospaziale ed è stata da noi adottata per indicare le rotazioni della pedana attorno ai 3 assi. Questi atti di moto vanno sotto il nome di :

1. Imbardata; 2. Beccheggio; 3. Rollio.

Essi in generale possono essere usati nella descrizione del moto di un qualsiasi corpo rigido.

1. Moto di imbardata : rappresenta la rotazione di un corpo (vettura, natante o aeromobile) attorno ad un asse verticale passante per il suo baricentro. Nel nostro caso rappresenta la rotazione del piede attorno all’asse Y: asse longitudinale della gamba.

(13)

___________________________________________________________________________ 13

2. Moto di beccheggio : rappresenta un movimento di oscillazione intorno all’asse trasversale baricentrico del corpo. Nel nostro caso rappresenta una la rotazione del piede attorno all’asse X ovvero il movimento consentito dalla tibio-tarsica.

3. Moto di rollio: rappresenta un movimento di oscillazione trasversale del corpo intorno al suo asse longitudinale. Nel nostro caso rappresenta una rotazione del piede attorno all’asse Z: asse longitudinale del piede.

+ ,

(14)

___________________________________________________________________________ 14

Bibliografia

i_{F.Mariotto “La rieducazione propiocettiva e funzionale in ortopedia e traumatologia”.}

Sperling & Kupfer Editori