A shape memory alloy-based biomimetic robotic hand : design, modelling and experimental evaluation

Every year more the 400,000 people are subject to an upper limb amputation. Projections foresee that this number may double by the 2050. Infections, trauma, cancer, or complications that arise in blood vessels represent the main causes for amputations. The access to prosthetic care is worldwide extremely limited. This is mainly due to the high cost both of commercially available prostheses and of the rehabilitation procedure which every prostheses user has to endure. Aside from high costs, commercially available hand prostheses have faced high rejection rates, mainly due to the their heavy weight, noisy operation and also to the unnatural feel of the fingers. To overcome these limitations, new materials, such as Shape Memory Alloys (SMAs), have been considered as potential candidate actuators for these kind of devices. In order to provide a contribution in the development of performant and easily affordable hand prostheses, the development of a novel and cost-effective five-fingered hand prototype actuated by Shape Memory Alloy (SMA) wires is presented in this work. The dissertation starts with the description of a first generation of a SMA actuated finger. Structure assemblage and performances in term of force, motion and reactiveness are investigated to highlight advantages and disadvantages of the prototype. In order to improve the achievable performances, a second generation of SMA actuated finger having soft features is introduced. Its structure, a five-fingered hand prosthesis having intrinsically elastic fingers, capable to grasp several types of objects with a considerable force, and an entirely 3D printed structure is then presented. Comparing this prototype with the most important prostheses developed so far, relevant advantages especially in term of noiseless actuation, cost, weight, responsiveness and force can be highlighted. A finite element based framework is then developed, to enable additional structure optimization and further improve the SMA finger performances. On the same time, a concentrated parameters physics-based model is formulated to allow, in the future, an easier control of the device, characterized by strong nonlinearities mainly due to the Shape Memory alloy hysteretic behavior.Jedes Jahr werden weltweit bei mehr als 400.000 Menschen Amputationen der oberen Gliedmaßen durchgeführt. Prognosen gehen davon aus, dass sich diese Zahl bis zum Jahr 2050 verdoppeln wird. Hauptursachen der Amputationen sind Infektionen, Unfälle, Krebs oder Durchblutungsstörungen. Der Zugang zu prothetischer Versorgung ist besonders in den Entwicklungsländern stark eingeschränkt. Dies liegt vor allem an den hohen Kosten sowohl der im Handel erhältlichen Prothesen als auch des Rehabilitationsprozesses, den jeder Prothesenträger durchlaufen muss. Neben den hohen Kosten haben kommerziell erhältliche Handprothesen aufgrund ihres hohen Gewichts, des lauten Betriebes und auch des unnatürlichen Gefühls hohe Ablehnungsraten. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden neue Materialien, wie z.B. Formgedächtnislegierungen (SMAs), als potenzielle Materialien für den Antrieb von Prothesen untersucht . Um einen Beitrag zur Entwicklung von leistungsfähigen und erschwinglichen Handprothesen zu leisten, wird in dieser Arbeit die Entwicklung eines neuartigen und kostengünstigen Fünf-Finger-Handprototyps vorgestellt, der durch Drähte aus Formgedächtnislegierungen aktiviert wird. Die Doktorarbeit beginnt mit der Beschreibung der ersten Generation eines SMA-aktivierten Fingers. Zuerst wird der Aufbau und das Wirkungsprinzip des SMA Fingers erläutert und die Leistungs- und Bewegungsfähigkeit des Systems untersucht sowie Vor- und Nachteile des Prototyps dargestellt. Anschließend, um die erreichbare Leistungsfähigkeit zu verbessern, wird eine zweite Generation von SMA-gesteuerten Fingern vorgestellt, die eine vollständig in 3D gedruckte Struktur aufweisen. Diese Fünffinger-Handprothese mit inhärent elastischen Fingern ermöglicht nicht nur das Greifen unterschiedlich geformter Objekte sondern auch das Heben und Halten schwerer Gegenstände. Dieser neuartige Prototyp wird mit den wichtigsten bisher entwickelten Prothesen verglichen und die relevanten Vorteile insbesondere in Bezug auf geräuschlose Ansteuerung, Kosten, Gewicht, Reaktionszeit und Kraft hervorgehoben. Abschließend wird ein Finite-Elemente-Modell entwickelt, mit Hilfe dessen die Fingerstruktur weiter optimiert und die Leistungsfähigkeit des SMA-Fingers noch verbessert werden kann. Zusätzlich wird ein Konzentriertes-Parameter-Modell formuliert, um, in der Zukunft, eine leichtere Regelung des Systems zu ermöglichen. Dieses ist notwendig, da der SMA-Finger starke Nichtlinearitäten aufweist, die auf das hysteretische Verhalten der Formgedächtnislegierung zurückzuführen sind

Design, manufacture and test of a magnetic encoder

An new eddy current based magnetic position encoder structure is proposed and studied in this thesis. The encoder is composed of one read head and one scale with metal plates placed periodically on a substrate. The read head contains one emitter and two receiver pairs which are all rectangular planar coils. The electromagnetic coupling between the emitter and receivers were affected by the relative position of the scale. A system level analytical model of the proposed encoder structure has been derived, from which three different encoder signals forms were generated. An amplification and synchronous demodulation circuit has been designed and fabricated. The circuit board was used successfully to process the encoder output signals in the measurement. Four PCB encoder prototypes were fabricated. These encoder structures were studied using the ANSYS MaxwellTM software package. The simulated and measured results were compared. The best accuracy performance of the PCB encoder is -15 μm to 15 μm from the simulation results and -35 μm to 25 μm from the corresponding measurement. An alternative manufacturing process of the magnetic encoder based on multilayer Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) technology has also been presented. The fabrication process of the LTCC encoder and equipment used were described. Two different methods were used to characterise the LTCC encoder with good agreement between all approaches attempted. The best accuracy performance of the LTCC encoder was -30 μm to 25 μm and after lookup table correction the improved accuracy ranged from -10 μm to 10 μm