S VILUPPO,STUDIOEMODELLAZIONEDIDITAARTIFICIALIBIO-ISPIRATE

(1)

Corso di laurea specialistica in Ingegneria Biomedica

Curriculum Industriale

Tesi di Laurea

S

VILUPPO, STUDIO E MODELLAZIONE

DI DITA ARTIFICIALI BIO-ISPIRATE

Relatori

Candidato

Prof.ssa Maria Chiara Carrozza

Carlo Peccia

(2)

Indice

Introduzione

10 1 Dito umano e dito artificiale

12 1.1 Il dito . . . 12

1.1.1 Anatomia generale del dito . . . 12

1.1.2 Anatomia del polpastrello . . . 17

1.1.3 Il dito umano come organo di manipolazione . . . 19

1.1.4 Il dito umano come organo di percezione . . . 19

1.2 stato dell’arte . . . 21

2 Design dei prototipi

29 2.1 Disegni in ambiente CAD . . . 29

2.1.1 PRO/E . . . 29

2.1.2 Specifiche generali . . . 29

2.1.3 Primo prototipo . . . 32

2.1.4 Secondo prototipo . . . 33

2.1.5 Terzo prototipo . . . 37

2.2 Scelta dei materiali . . . 40

2.2.1 materiali soffici . . . 40

2.2.2 Materiali per le componenti non rigide . . . 42

2.2.3 Materiali per le componenti rigide . . . 42

3 Realizzazione dei prototipi

47 3.1 Stampi . . . 47

3.2 Procedimento generale . . . 47

3.3 Procedimento per il colaggio . . . 49

4 Prove meccaniche

54 4.1 Modelli bio-meccanici . . . 54

4.1.1 Modello di Fung per sollecitazione normale . . . 54

4.2 Piattaforma per le prove . . . 57

1

(3)

INDICE

2 4.3 Prove indentazione . . . 58

4.3.1 rampe . . . 59

4.3.2 ramp-hold . . . 60

4.3.3 analisi area di contatto . . . 61

5 Risultati prove meccaniche

62 5.1 Software utilizzato per l’analisi dei dati . . . 62

5.2 Prove indentazione . . . 62

5.2.1 Rampe . . . 62

5.2.2 Ramp-hold . . . 71

5.2.3 Analisi area di contatto . . . 87

6 Simulazioni

95 6.1 software utilizzato . . . 95

6.2 caratterizzazione uniassiale materiali . . . 95

6.2.1 Prove in trazione e compressione . . . 96

6.2.2 Modelli per materiali iperelastici non lineari . . . 100

6.3 Modelli virtuali . . . 103

6.4 Impostazioni delle simulazioni . . . 113

(4)

Elenco delle tabelle

1.1

tabbella dei meccanorecettori cutanei

. . . 21

2.1

dimensioni dito indice umano presenti in letteratura (NOTA: f. indica il termine falange) [2],[8],[10]

. . . 31

2.2

caratteristiche tecniche del fotopolimero acrilico fornite dal produttore

. 43

2.3

caratteristiche EcoFlex-0010 fornita dal produttore

. . . 44

2.4

caratteristiche EcoFlex-0030 fornita dal produttore

. . . 45

2.5

caratteristiche DragonSkin-10 fornita dal produttore

. . . 46

5.1

parametri m e b dito umano

. . . 65

5.2

parametri d’isteresi relativi al dito umano

. . . 65

5.3

parametri m e b primo prototipo

. . . 68

5.4

parametri d’isteresi relativi al primo prototipo

. . . 68

5.5

valori di forza con deviazioni standard per tutti i prototipi confrontati con il campione umano di riferimento, con angolo di contatto di 20°

. . 75

5.6

valori di forza con deviazioni standard per tutti i prototipi confrontati con il campione umano di riferimento, con angolo di contatto di 30°

. . 76

5.7

parametri d’isteresi relativi a tutti i prototipi confrontati con il riferimen-to umano, con angolo di contatriferimen-to pari a 20°

. . . 80

5.8

parametri d’isteresi relativi a tutti i prototipi confrontati con il riferimen-to umano, con angolo di contatriferimen-to pari a 30°

. . . 81

5.9

parametri m e b di tutti i prototipi confrontati con riferimento umano, con angolo di contatto pari a 20°

. . . 82

5.10

parametri m e b di tutti i prototipi confrontati con riferimento umano, con angolo di contatto pari a 30°

. . . 83

5.11

parametri m,b,ci e vi del campione umano, con due differenti angoli di contatto

. . . 84

5.12

parametri m,b,v0e c0del campione umano e di tutti i prototipi, con due differenti angoli di contatto

. . . 90

5.13

parametri v1,c1,v2e c2del campione umano e di tutti i prototipi, con due differenti angoli di contatto

. . . 91

(5)

ELENCO DELLE TABELLE

4

5.14

aree effetive di contatto del campione umano e di due prototipi scelti

all’aumentare del livello di indentazione con angolo di contatto pari a 30°

94

6.1

valore dei module elasitici al 10 e al 20% di deformazione estrapolati dalle

prove di compressione, secondo quanto previsto dalle relative norme ISO

96

6.2

parametri caratteristici estrapolati dalle prove di trazione, secondo

quan-to previsquan-to dalle relative norme ISO

. . . 96

6.3

parametri del modello di Mooney a 3,5 e 9 parametri e relativi sse, per i

tre materiali

. . . 109

6.4

parametri del modello di Ogden con N= 1,2 e 3 e relativi sse, per i tre

materiali

. . . 109

6.5

parametri del modello di Yeoh con N= 1,2 e 3 e relativi sse, per i tre

(6)

Elenco delle figure

1.1

disegno della sezione saggittale del dito indice con componenti principali

evidenziate

. . . 13

1.2

immagine della sezione saggittale del dito indice con principali compo-nenti evidenziate

. . . 13

1.3

vista frontale del dorso (sx) e del palmo (dx) della mano umana con nomenclatura delle dita in evidenza

. . . 13

1.4

vari strati che compongono la cute ed elementi presenti al suo interno

. 16

1.5

sezione trasversale attraverso la falange distale con elementi principali in evindenza

. . . 18

1.6

disegno sezione sagittale della punta del dito con elementi principali in evindenza

. . . 18

1.7

extensor digitorum communis

. . . 18

1.8

flexor digitorum profundis

. . . 19

1.9

schema della posizione dei meccanorecettori cutanei

. . . 20

1.10

schema dei prototipi di Han e Kawamura (1999)

. . . 22

1.11

schema del prototipo di Murakami et al. (2003)

. . . 22

1.12

schema dei prototipi di Tiezzi et al. (2005)

. . . 23

1.13

immagine (sx) e schema (dx) del prototipo di Hosoda et al. (2006)

. . 24

1.14

immagine del prototipo interamente in gomma siliconica di Shao et al. (2009)

. . . 25

1.15

immagine di una sezione del prototipo multilayer di Shao et al. (2009)

. 25

1.16

immagine della struttura del modello FE di Shao et al. (2009)

. . . . 26

1.17

immagine della struttura del prototipo di Berselli et al. (2011)

. . . . 27

1.18

immagine dei prototipi di Berselli et al. (2011),(a)pad con protrusioni emisferiche (gomma siliconica),(b) pad con coste circonferenziali (poli-mero fotosensibile),(c) pad con microtravi (poli(poli-mero fotosensibile)

. . . 27

2.1

(sx)vista del piano sagittale dell’unghia del primo prototipo (dx)vista del piano frontale dell’unghia del primo prototipo

. . . 33

(7)

ELENCO DELLE FIGURE

6

2.2

(sx)vista del piano sagittale del primo prototipo (centro) vista del piano

frontale del primo prototipo(dx) vista della struttura interna rigida del primo prototipo (NOTA: lo strato interno è posto trasparente e quello

esterno semitrasparente per maggiore chiarezza grafica)

. . . 34

2.3

(sx) vista del piano frontale del secondo prototipo (dx)vista del piano sa-gittale del secondo prototipo (NOTA: lo strato interno è posto trasparente per maggiore chiarezza grafica)

. . . 34

2.4

strurra rigida interna secondo prototipo (sx) vista forntale, (dx) vista sagittale

. . . 36

2.5

confornto tra (sx)vista dell’ osso reale (ultime due falangi) e (dx)vista della struttura rigida interna del secondo prototipo

. . . 36

2.6

strurra rigida interna seconda versione del secondo prototipo (sx) vista frontale, (dx) vista sagittale

. . . 37

2.7

strurra rigida interna del terzo prototipo (sx) vista frontale, (dx) vista sagittale

. . . 38

2.8

(sx)vista della sezione sagittale della punta del secondo prototipo-2A versione (dx)vista della sezione sagittale della punta del terzo prototipo

39

2.9

(sx)vista della punta del dito indice umano (dx) vista della punta del terzo prototipo

. . . 39

2.10

disegno delle 3 fondamentali azioni svolte dai tessuti molli del polpastrello

40

2.11

stampante 3D ProJet™ HD3000

. . . 43

3.1

esempio di stampo per lo strato interno: (sx) parte superiore (dx) parte inferiore

. . . 48

3.2

esempio di stampo per lo strato esterno: (sx) parte superiore (dx) parte inferiore

. . . 48

3.3

schema delle varie fasi di colaggio dello strato interno

. . . 51

3.4

schema delle varie fasi di colaggio dello strato esterno

. . . 51

3.5

alcune immagini del primo prototipo ultimato

. . . 52

3.6

alcune immagini del secondo prototipo ultimato

. . . 52

3.7

alcune immagini del terzo prototipo ultimato

. . . 53

4.1 . . . 58

4.2

immagine di prototipo fissato alla piattaforma per le prove di indenta-zione

. . . 59

5.1

curve forza normale-indentanzione con angolo di contatto pari a 20°, con

(8)

ELENCO DELLE FIGURE

7

5.3

curve forza normale-indentanzione con angolo di contatto pari a 30°, con

barre di errore

. . . 64

5.4

curve di istersi forza normale-indentanzione con angolo di contatto pari

a 30°

. . . 64

5.5

curve forza normale-indentanzione per primo prototipo con EcoFlex 0010

con angolo di contatto pari a 10°, con barre di errore

. . . 66

5.6

curve di istersi forza normale-indentanzione per primo prototipo con

EcoFlex 0010 con angolo di contatto pari a 10°

. . . 67

5.7

curve forza normale-indentanzione per primo prototipo con EcoFlex 0030

con angolo di contatto pari a 10°, con barre di errore

. . . 67

5.8

curve di istersi forza normale-indentanzione per primo prototipo con

EcoFlex 0030 con angolo di contatto pari a 10°

. . . 68

5.9

curve forza normale-indentanzione con angolo di contatto pari a 20° e

velocità di indentazione 0.1 mm/sec, con barre di errore

. . . 72

5.10 . . . 72

5.11

velocità di indentazione 2 mm/sec, con barre di errore

. . . 73

5.12 . . . 73

5.13 . . . 74

5.14

velocità di indentazione 2 mm/sec, con barre di errore

. . . 74

5.15

curve isteresi forza normale-indentanzione con angolo di contatto pari a

20° e velocità di indentazione 0.1 mm/sec

. . . 77

5.16 . . . 77

5.17

20° e velocità di indentazione 2 mm/sec

. . . 78

5.18 . . . 78

5.19 . . . 79

5.20

30° e velocità di indentazione 2 mm/sec

. . . 79

5.21

curva forza normale-tempo,con angolo di contatto pari a 20°

. . . 85

5.22

fittaggio con modello della curva media forza normale-tempo,con angolo

di contatto pari a 20°

. . . 85

5.23 . . . 86

(9)

ELENCO DELLE FIGURE

8

5.24

fittaggio con modello della curva media forza normale-tempo,con angolo

. . . 86

5.25 . . . 88

5.26

fittaggio con modello delle curve medie forza normale-tempo,con angolo

. . . 88

5.27 . . . 89

5.28

fittaggio con modello delle curve media forza normale-tempo,con angolo

. . . 89

5.29

impronte dito umano e due prototipi selezionati,con angolo di contatto

pari a 30°

. . . 93

5.30

impronte dito umano e due prototipi selezionati,con angolo di contatto

pari a 30°

. . . 93

5.31

andamenti delle variazioni percentuali di area,con angolo di contatto pari

a 30°

. . . 94

6.1

macchina per le prove di trazione e compressione della INSTRON Corp.

97

6.2

4 cicli consecutivi di compressione per il DragonSkin 10A secondo le

normative ISO .

. . . 97

6.3

4 cicli consecutivi di compressione per il EcoFlex 0010 secondo le

norma-tive ISO .

. . . 98

6.4

4 cicli consecutivi di compressione per il EcoFlex 0030 secondo le

norma-tive ISO .

. . . 98

6.5

prova di trazione fino a rottura per il DragonSkin 10A secondo le

norma-tive ISO .

. . . 99

6.6

prova di trazione fino a rottura per l’EcoFlex 0010 secondo le normative

ISO .

. . . 99

6.7

prova di trazione fino a rottura per l’EcoFlex 0030 secondo le normative

ISO .

. . . 104

6.8

dati di trazione-compressione fittatto utilizzando il modello di

Mooney-Rivlin a 3,5 e 9 parametri, relativamente all’EcoFlex 0010

. . . 104

6.9

Mooney-Rivlin a 3,5 e 9 parametri, relativamente all’EcoFlex 0030

. . . 105

6.10

Mooney-Rivlin a 3,5 e 9 parametri, relativamente al DragonSkin 10A

. . . 105

6.11

dati di trazione-compressione fittatto utilizzando il modello di Ogden con

N =1,2 e 3, relativamente all’EcoFlex 0010

. . . 106

6.12

dati di trazione-compressione fittatto utilizzando il modello di Ogden con