Banco prova per protesi di arto superiore elettromeccaniche

Author(s):
M. Chiossi - INAIL CENTRO PROTESI
E. Gruppioni - INAIL CENTRO PROTESI

Industry:
Medical/ Medical Instrumentation

Products:
CompactRIO, LabVIEW, FPGA Module, Real-Time Module

The Challenge:
Realizzare un banco prova economico e flessibile per la caratterizzazione sperimentale elettromeccanica di nuove componenti protesiche per protesi funzionale d’arto superiore a comando mioelettrico.

The Solution:
Si sono utilizzate le capacità di acquisizione, generazione ed elaborazione dei segnali offerte dall’unità CompactRIO, dai moduli di I/O e da LabVIEW per eseguire cicli di lavoro su traiettorie prestabilite rilevando simultaneamente tutte le grandezze sperimentali utili all’indagine.

Allo scopo di caratterizzare il nuovo prototipo della protesi elettromeccanica dell’articolazione di spalla, che si compone di due attuatori azionati da motori elettrici in CC, è stato realizzato un banco prova flessibile ed economico che sfrutta appieno le capacità di potenza di calcolo e modularità dell’unità CompactRIO. Per mezzo di tecniche di Motion Control attuate simultaneamente all’acquisizione di dati di tensione, corrente e velocità dei motori, sono stati eseguiti diversi test ottenendo così una caratterizzazione sperimentale del prototipo e un indice di efficienza.

Articolo
Il Centro Protesi INAIL di Vigorso di Budrio (BO), riconosciuto centro d’eccellenza nell’ambito dei presidi protesici ed ortopedici, si occupa da oltre quarant’anni dell’assistenza ad invalidi sul lavoro e civili e nondimeno dello studio e dello sviluppo di nuove componenti protesiche tese al miglioramento della qualità di vita degli amputati. Il gruppo di ingegneri, tecnici, fisioterapisti e medici che concorrono a questa attività di ricerca rivolge il proprio studio particolarmente su amputati di arto inferiore e superiore all’interno di due principali aree di attività: la validazione sperimentale di nuove componenti protesiche già affacciate al mercato e la progettazione e lo sviluppo di nuovi dispositivi mediante la creazione di prototipi. In quest’ultimo ramo si inserisce la realizzazione di un’innovativa protesi di spalla destinata ad amputati di arto superiore con livello di amputazione molto alto e che dunque abbiano completamente perso la funzionalità della propria articolazione naturale. Il prototipo costruito è composto da due attuatori indipendenti che permettono l’orientamento nello spazio dell’arto protesico mediante la rotazione attorno a due assi ortogonali ed incidenti.
La necessità di una verifica sperimentalmente delle performance dei due motoriduttori costruiti ha portato alla creazione di un banco prova per il test dei singoli attuatori considerati con diversi valori di carico applicato e velocità di funzionamento. Questo ciclo di test è stato principalmente orientato all’individuazione di un parametro di efficienza meccanica che fosse un riferimento oggettivo e ripetibile per il successivo miglioramento del prototipo.
I due attuatori sono entrambi composti da motori elettrici in CC di piccola taglia (4.5 e 20 Watt) e alimentati con batterie da 7,5 e 15 Volts. La trasmissione meccanica in entrambi i dispositivi è composta da stadi di riduzione di vario genere quali riduttori Harmonic Drive, riduttori epicicloidali, vite a ricircolo di sfere e ruote dentate. Nel primo attuatore il rapporto di trasmissione è costante e vale 1: 1041, mentre nel secondo attuatore è variabile per via di un sistema articolato in catena chiusa realizzato attraverso un’inversione cinematica del manovellismo di spinta, ed ha un valore massimo di circa 1:1200 in corrispondenza della configurazione per la quale si ha il valore massimo della coppia applicata.
Al fine di caratterizzare questa nuova soluzione protesica dal punto di vista elettromeccanico è necessario indagare alcune grandezze fisiche particolarmente significative quali la velocità di rotazione, la corrente istantanea assorbita e la tensione istantanea ai morsetti dei motori. Tali informazioni, insieme ad altre di origine sia teorica sia frutto del calcolo con strumenti di simulazione, permettono la valutazione del rendimento globale dell’elettromeccanismo, inteso come sistema nel quale entra energia elettrica ed esce energia meccanica, nonché di quello meccanico ed elettrico.
Per lo studio in questione l’acquisizione del segnale deve avvenire contemporaneamente all’attività di Motion Control del motore così da permettere l’esecuzione di una legge di moto prestabilita mediante un inseguimento di posizione con tecnica PID.
Nella valutazione delle diverse soluzioni il PAC CompactRIO si è dimostrato il dispositivo più performante e flessibile; quest’ultimo, infatti, in virtù dell’elevata potenza di calcolo del SO real-time in abbinamento all’FPGA e ad alcuni moduli, riesce a fornire una soluzione integrata dell’intera problematica.
Per il pilotaggio dei drivers dei motori si è utilizzato il modulo di digital output cRIO-9474 con il quale sono stati generati i segnali PWM e quelli di controllo di direzione.
L’acquisizione delle velocità di rotazione ha richiesto la lettura nel tempo dei quattro segnali digitali relativi ai due encoder incrementali (due segnali in quadratura di fase per ciascun encoder); riguardo a questo aspetto è importante fare due considerazioni: gli encoder incremementali di cui sono dotati i motori sono a 512 linee/giro (1024 fronti/giro) e i segnali da acquisire sono in logica 5V/TTL.
Relativamente alla prima questione e considerando che il motore potrà girare a velocità fino a 6000 giri/min, i segnali da acquisire potranno avere una banda massima di poco superiore ai 100KHz e, di conseguenza, il modulo di acquisizione dovrà soddisfare a tale specifica. Detto ciò, sebbene tra i moduli per CompactRIO vi sia cRIO-9403, appositamente pensato per l’interfacciamento con logiche TTL 0-5 Volts, la scelta per la nostra architettura di test è caduta sul modulo di digital input cRIO-9425 che, diversamente dal precedente, si interfaccia con logiche industriali a 12 e 24 Volts: tale scelta è motivata dal desiderio di mantenere la massima flessibilità del sistema in previsione di possibili sviluppi futuri e nuovi progetti.
Riguardo all’acquisizione dei segnali di corrente e tensione è stato utilizzato il modulo di analog input cRIO-9201. Dovendo monitorare simultaneamente due attuatori si sono dovute acquisire due correnti e quattro tensioni (al fine di ricavare la tensione differenziale ai morsetti di ogni motore) utilizzando quindi solo 6 degli 8 canali disponibili. La frequenza di campionamento complessiva messa a disposizione da questo modulo (500KS/s), risulta quindi sovrabbondante per questa applicazione, che richiede solo 10-15KS/s per segnale (contro i ~83KS/s possibili).
Oltre al sistema CompactRIO è stata sviluppata una scheda elettronica che si occupa di (1) fornire un adeguato alloggiamento ai drivers dei motori, (2) trasdurre i segnali di corrente, (3) adattare i segnali 5V/TTL degli encoder ai livelli adatti al modulo cRIO-9425, (4) raccogliere ordinatamente le diverse connessioni così da permettere un cablaggio chiaro e ordinato.
Nel suo complesso il sistema si compone perciò di un PC con Windows XP collegato in rete con l’unità centrale di controllo/acquisizione, rappresentata dal CompactRIO, la scheda elettronica d’interfaccia ed il prototipo sotto test.
In LabVIEW sono stati sviluppati VI e subVI relativi sia alla gestione degli I/O di basso livello (FPGA) e del modulo RT che all’interfaccia utente su PC per l’impostazione dei dati di configurazione del test (parametri della legge di moto) e per la visualizzazione e il salvataggio dei dati acquisiti.
In conclusione, il sistema realizzato, garantendo il rispetto rigoroso delle specifiche di accuratezza di misura necessarie, ha permesso di valutare sperimentalmente e in modo oggettivo le caratteristiche meccaniche ed elettriche del prototipo ricavandone un indice di efficienza. La flessibilità ricercata durante la costruzione del banco prova ne ha inoltre permesso l’impiego nei test di altre componenti protesiche.

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M. Chiossi
INAIL CENTRO PROTESI
m.chiossi@inail.it

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