Mi chiedono spesso perché Adam’s Hand muova le quattro dita lunghe con un solo motore, quando la maggior parte delle mani protesiche multi-articolate utilizza un motore per ogni dito. La risposta breve è che una persona che indossa una protesi non può controllare quattro dita una per una. La risposta più articolata riguarda un meccanismo a ingranaggi che quasi tutti abbiamo già senza pensarci, perché si trova nell’asse di ogni automobile.
In questo articolo voglio spiegare bene quel meccanismo, passo dopo passo, perché è il principio su cui è costruita l’intera mano.
Quattro pedali dell'acceleratore
Una mano protesica viene controllata attraverso un canale molto limitato. In una configurazione tipica, due elettrodi sull’avambraccio rilevano l’attività elettrica dei muscoli residui. A partire da questi due segnali, l’utente deve controllare apertura, chiusura e modalità di presa. Può esprimere un’intenzione, ma non può comandare singolarmente ogni articolazione.
Ora immaginiamo una mano con un motore per ogni dito. Ogni dito deve ricevere un comando e, quando la mano entra in contatto con un oggetto, qualcuno deve decidere quale dito fermare, quale far continuare a spingere e con quanta forza. È un po’ come guidare un’auto con quattro pedali dell’acceleratore, uno per ogni ruota. In teoria si può fare, ma difficilmente lo chiameremmo guidare.
Con Adam’s Hand il pedale è uno solo. L’utente chiede alla mano di chiudersi, e il meccanismo decide come distribuire quel movimento tra le dita.
Cosa fa un differenziale
Quando un’auto affronta una curva, la ruota interna percorre una traiettoria più corta rispetto a quella esterna. Se entrambe le ruote fossero vincolate allo stesso albero, una delle due dovrebbe slittare. Il differenziale risolve questo problema: riceve il moto dal motore e lo distribuisce a due uscite libere di ruotare a velocità diverse.
Al suo interno c’è un portatreno, azionato dal motore, sul quale sono montati due piccoli ingranaggi conici chiamati satelliti. I satelliti ruotano sempre insieme al portatreno, orbitando attorno all’asse delle ruote, ed è così che trasmettono il moto a entrambe. In rettilineo fanno solo questo e l’intero gruppo ruota come un unico blocco. In curva, invece, iniziano anche a ruotare attorno al proprio perno, sottraendo un po’ di velocità alla ruota interna e trasferendola a quella esterna. Il moto complessivo resta lo stesso; cambia solo il modo in cui viene distribuito.
È esattamente la proprietà che ci serviva per una mano: un ingresso, più uscite, e la libertà per ciascuna uscita di muoversi in modo indipendente quando qualcosa la trattiene.
Da quattro ruote a quattro dita
Un’auto a trazione integrale utilizza tre differenziali: uno centrale, che distribuisce il moto del motore tra l’asse anteriore e quello posteriore, e uno su ciascun asse, che lo ripartisce nuovamente tra le due ruote. Un motore, quattro uscite.
Adam’s Hand usa lo stesso schema ad albero. Un motore nel palmo aziona un primo stadio differenziale. Le sue due uscite azionano altri due differenziali, ciascuno dei quali muove due dita. Quando la mano si chiude attorno a un oggetto, il primo dito che lo tocca si ferma. Grazie ai differenziali, il moto che quel dito non può più utilizzare viene redistribuito agli altri, che continuano a chiudersi finché non toccano a loro volta l’oggetto. Ogni dito si assesta nel punto in cui l’oggetto ne arresta il movimento.
Nessun controllore calcola la forma dell’oggetto. La presa assume quella forma grazie al modo in cui gli ingranaggi sono collegati. È quello che chiamiamo sottoattuazione tra le dita: ci sono meno motori che articolazioni, e il movimento tra queste viene gestito dal meccanismo.
Dentro ogni dito
Adattarsi tra le dita è solo metà del lavoro. Ogni dito lungo ha due falangi e due gradi di libertà e, all’interno della falange prossimale, c’è un treno di ruote dentate folli. L’ultima ruota del treno è solidale con la falange distale.
Finché il dito si chiude liberamente, la falange prossimale precede e la distale la segue. Quando la falange prossimale tocca l’oggetto e si ferma, il treno di ingranaggi continua a trasmettere il moto: la falange distale continua a ruotare e si avvolge attorno all’oggetto. In questo modo il dito ne segue la forma, invece di toccarlo in un solo punto.
Nella falange prossimale ci sono cinque ruote dentate e il numero non è casuale: deve essere dispari. Con un numero pari, la falange distale ruoterebbe nel verso opposto, aprendosi invece di chiudersi. A parte questa regola, il treno di ingranaggi può essere adattato facilmente, ed è proprio questo a rendere modulare anche il singolo dito.
Molte mani multi-articolate usano invece un leverismo in ogni dito. Le due falangi sono accoppiate e si piegano sempre insieme lungo una traiettoria definita in fase di progettazione, indipendentemente dalla forma dell’oggetto. Quando la base del dito tocca l’oggetto, tutto il dito si ferma e spesso la punta resta lontana dalla superficie. I leverismi sono compatti, robusti e garantiscono un movimento ripetibile: quando gli oggetti da manipolare sono noti a priori, rappresentano una scelta sensata. Semplicemente, non sono la soluzione ideale quando ogni oggetto è diverso.
Mettendo insieme i due livelli si ottiene un’altra proprietà, che è facile non notare. Un differenziale non si limita a distribuire il moto: mantiene anche uguale la coppia sulle sue due uscite. Quando un dito tocca l’oggetto, inizia a incontrare resistenza. Il differenziale non può caricare quel dito più dell’altro, quindi, prima che la forza di presa possa aumentare, anche l’altro dito deve incontrare lo stesso livello di resistenza. L’altro dito è ancora libero e, per raggiungere quella stessa resistenza, deve continuare a muoversi, e farlo più velocemente: il portatreno gira sempre alla velocità media delle sue due uscite, quindi, quando un’uscita si ferma, l’altra deve girare al doppio della velocità del portatreno. Le dita ancora libere si muovono più rapidamente verso l’oggetto e la forza cresce solo quando sono tutte in contatto. Il treno di ingranaggi dentro ogni dito fa lo stesso tra le sue due falangi.
Questo non rende la mano più debole. La presa può essere altrettanto salda e la pressione su ogni punto di contatto può restare elevata. Cambia il modo in cui quella forza viene gestita: nessun dito stringe di più mentre gli altri stanno ancora raggiungendo l’oggetto, e nessun punto di contatto viene sovraccaricato mentre un altro sopporta un carico minimo. La forza su ogni punto di contatto dipende sempre dalla sua posizione lungo la falange, ma il carico è bilanciato sull’intera presa. È questo che fa la differenza quando si afferra un frutto maturo o un bicchiere di carta, e rende anche la presa più stabile. Come per tutto il resto, non ci sono sensori né controllori di mezzo. È l’equilibrio degli ingranaggi.
Tenere la presa senza consumare energia
Tra il motore e i differenziali c’è un ultimo elemento: una vite senza fine. La vite senza fine può azionare il meccanismo, ma il meccanismo non può farla ruotare all’indietro. Così, una volta chiusa la mano, il motore si ferma del tutto. La presa è mantenuta dalla trasmissione stessa e non assorbe corrente.
Anche questo viene dalla protesica. Un utente non può tenere un muscolo contratto per minuti solo per reggere un bicchiere e, per lo stesso motivo, una batteria che deve durare tutto il giorno non può mantenere un motore alimentato. Tenere la presa doveva costare zero.
Il dettaglio importante è dove si trova la vite senza fine. Essendo posta prima dei differenziali, la parte del meccanismo che si adatta resta libera di muoversi anche a motore fermo. Con l’ingresso bloccato, però, le dita possono muoversi solo compensandosi a vicenda: se una si apre, le altre devono chiudersi per compensare. Così, quando un oggetto già afferrato viene urtato o ruotato, le dita da un lato cedono, quelle dall’altro si chiudono e tutta la presa si riassesta attorno all’oggetto senza lasciarlo andare. Per lo stesso motivo, quando tutte le dita sono completamente chiuse, non è possibile muovere un singolo dito da solo, e questo aiuta la mano a mantenere saldamente la presa.
Mantenimento della presa e adattamento sono separati: tenere la presa non costa nulla, e l’adattamento lo fanno gli ingranaggi. Mentre la mano si chiude, l’adattamento è guidato dal motore. Quando il motore si ferma, diventa passivo.
Molte mani robotiche seguono la strada opposta. Per ottenere cedevolezza, mantengono i motori attivi e utilizzano il controllo d’impedenza: i sensori misurano l’interazione e il controllore regola la coppia del motore perché il dito si comporti come una molla. Funziona, ma i motori restano attivi per tutto il tempo in cui la mano tiene un oggetto, con un consumo energetico e una generazione di calore continui, entrambi destinati ad aumentare con il numero di motori. Contro superfici rigide un controllore può anche diventare instabile, ed è per questo che nelle applicazioni reali i guadagni del controllo di forza si tarano in modo prudente. Una cedevolezza meccanica non ha un anello di controllo da destabilizzare.
La stessa cedevolezza passiva rende la mano anche più robusta. Quando un dito viene colpito, può cedere e il meccanismo distribuisce il carico sulle altre dita, invece di lasciare che l’urto venga assorbito da una trasmissione rigida. È in buona parte per questo che Adam’s Hand è così durevole.
Tre motori, dieci gradi di libertà
L’intera mano usa tre motori. Uno, nel palmo, muove le quattro dita lunghe attraverso i differenziali, per un totale di otto gradi di libertà mossi dal motore. Gli altri due muovono il pollice. Il pollice ha una sola falange, e un motore si trova al suo interno per la flessione e l’estensione. L’altro si trova nel palmo e ruota il pollice. La rotazione è continua, ma nell’uso protesico quotidiano viene offerta come una serie di posizioni selezionabili, perché con due elettrodi è difficile fermarla a un angolo preciso. Tre posizioni fanno da riferimento: laterale, per la presa a chiave; di fronte alla punta dell’indice, per la presa di precisione; in opposizione, per la presa tripode.
La ripartizione è voluta. Il pollice svolge gran parte del lavoro nelle prese di precisione e l’opposizione è anche il movimento più difficile da attuare. Per questo, due terzi dell’attuazione sono dedicati al pollice, mentre un solo motore, con l’aiuto del meccanismo, gestisce tutto il resto. Il risultato sono dieci gradi di libertà azionati da tre motori.
Oltre la protesica
I due problemi che la protesica ci ha costretti ad affrontare per primi sono gli stessi che la robotica incontra quando i robot escono dalle celle di lavoro controllate: ottenere capacità di manipolazione complesse attraverso un’interfaccia di controllo limitata e gestire contatti non controllati con il mondo reale. Un braccio robotico, di solito, invia alla propria pinza un unico comando: aprire o chiudere. È molto simile a ciò che una protesi riceve dal proprio utilizzatore.
Poiché l’adattamento avviene negli ingranaggi, il meccanismo si comporta allo stesso modo sia che il comando provenga da una persona, sia che provenga dal controllore di un robot. Inoltre, l’architettura non è vincolata alla forma della mano umana: lo stesso principio di cedevolezza può essere applicato a end-effector con due, tre, quattro o più dita, ciascuna con due o più falangi.
Più di 250 persone usano Adam’s Hand ogni giorno. Il meccanismo descritto qui è quello su cui contano ogni volta che prendono qualcosa senza pensare a quale dito debba fermarsi per primo.
Mechanical Intelligence
In BionIT Labs abbiamo un nome per tutto questo: Mechanical Intelligence. Non intendiamo un meccanismo che pensa. Intendiamo un’architettura fisica che risolve una parte del problema di controllo attraverso il proprio comportamento. In Adam’s Hand lo fa in due modi complementari:
- In modo attivo, mentre la mano si chiude: un motore esprime l’intenzione e i differenziali distribuiscono moto e forza tra le dita e le falangi finché la presa non si adatta all’oggetto;
- In modo passivo, una volta che la mano mantiene la presa: a motore spento, le dita si compensano a vicenda, assorbendo gli urti e ridistribuendo i carichi senza alcun comando aggiuntivo.
Se dovessi riassumere il progetto in una sola regola, sarebbe questa: prima di programmare l’adattamento, bisogna integrarlo nella meccanica. Il software serve ancora, e conta. Ma ogni contatto che gli ingranaggi riescono a gestire da soli è una cosa in meno di cui l’utente, o il controllore, deve preoccuparsi.
Da ingegnere meccanico, il differenziale mi ha sempre affascinato. Vedere il nostro team portare quell’idea dentro una mano bionica è uno dei risultati di cui vado più fiero.
