Advances in sensing, actuation, and feedback for robotic hands

Upper-limb amputation severely compromises functional independence and quality of life. Although modern myoelectric prostheses have achieved remarkable technological progress, their widespread adoption is still limited by high rejection rates, mainly due to limited usability, insufficient sensory feedback, and inadequate objective performance assessment. This dissertation addresses these challenges through the development of innovative sensing, actuation, and feedback solutions for next-generation robotic hands. The first contribution of this work is the design and development of the Smart Demo Unit (SDU), a portable and modular platform conceived to simplify prosthetic fitting, demonstration, and user training. The system integrates proportional joystick control and electromyographic (EMG)-based operation within a universal interface compatible with commercially available prosthetic hands and active wrist rotators. Its battery-powered architecture minimizes electrical noise during EMG acquisition while improving user safety and portability. The second contribution focuses on the objective evaluation of robotic hand performance through analytical kinetostatic modeling and experimental validation. Novel performance metrics are introduced to characterize fingertip force generation throughout the finger workspace. Two representative mechanical architectures—a fully actuated finger mechanism and an underactuated differential transmission—are modeled and experimentally evaluated using a custom-designed force measurement testbench. The results demonstrate a strong agreement between theoretical predictions and experimental measurements, providing quantitative insights into how mechanical design influences grasping capabilities and force distribution. The final contribution addresses one of the major limitations of current prosthetic technology: the absence of sensory feedback. A non-invasive closed-loop thermal feedback system is proposed, integrating flexible temperature sensors embedded in prosthetic fingertips with thermoelectric stimulation modules positioned inside the prosthetic socket. A predictive lumped-parameter electro-thermal model is developed to accurately describe heat transfer between the stimulation device and the user's skin, enabling safe, efficient, and realistic thermal perception. Preliminary validation involving an upper-limb amputee demonstrated accurate temperature and material discrimination, suggesting that thermal feedback can significantly enhance prosthesis embodiment, environmental awareness, and user confidence. Overall, this dissertation presents an integrated framework combining advanced hardware design, mathematical modeling, experimental validation, and sensory restoration to improve the functionality, intuitiveness, and user acceptance of upper-limb myoelectric prostheses. The proposed methodologies contribute to the advancement of prosthetic robotics by providing practical solutions for more natural, effective, and human-centered assistive devices.

L'amputazione dell'arto superiore compromette significativamente l'autonomia funzionale e la qualità della vita. Sebbene le moderne protesi mioelettriche abbiano raggiunto notevoli progressi tecnologici, la loro diffusione è ancora limitata dagli elevati tassi di abbandono, dovuti principalmente alla ridotta usabilità, all'assenza di un adeguato feedback sensoriale e alla mancanza di metodologie oggettive per la valutazione delle prestazioni. La presente tesi affronta tali problematiche attraverso lo sviluppo di soluzioni innovative di sensing, attuazione e feedback per mani robotiche di nuova generazione. Il primo contributo della ricerca riguarda la progettazione e lo sviluppo della Smart Demo Unit (SDU), una piattaforma portatile e modulare concepita per semplificare le attività di dimostrazione, addestramento e adattamento all'utilizzo delle protesi. Il sistema integra una modalità di controllo proporzionale tramite joystick e una modalità basata su segnali elettromiografici (EMG), mediante un'interfaccia universale compatibile con mani protesiche e polsi attivi. L'architettura alimentata a batteria riduce il rumore elettrico durante l'acquisizione dei segnali EMG, migliorando al contempo la sicurezza e la portabilità del dispositivo. Il secondo contributo è dedicato alla valutazione oggettiva delle prestazioni delle mani robotiche mediante modellazione cinetostatica e validazione sperimentale. Sono state introdotte nuove metriche per caratterizzare la generazione della forza alla punta delle dita lungo l'intero spazio di lavoro del dito. Due differenti architetture meccaniche rappresentative, una completamente attuata e una sottoattuata basata su trasmissione differenziale, sono state modellate analiticamente e validate sperimentalmente mediante un banco prova appositamente sviluppato per la misura delle forze. I risultati sperimentali mostrano un'elevata concordanza con le previsioni teoriche, consentendo di quantificare l'influenza delle scelte progettuali sulle capacità di presa e sulla distribuzione delle forze. L'ultimo contributo affronta una delle principali limitazioni delle moderne protesi di arto superiore: l'assenza di feedback sensoriale. A tal fine è stato sviluppato un sistema non invasivo di feedback termico a ciclo chiuso, costituito da sensori di temperatura flessibili integrati nei polpastrelli della protesi e da moduli termoelettrici basati su celle di Peltier inseriti all'interno dell'invasatura protesica. È stato inoltre sviluppato un modello elettro-termico a parametri concentrati per descrivere accuratamente gli scambi termici tra il dispositivo di stimolazione e la cute dell'utilizzatore, garantendo una trasmissione della temperatura efficace e sicura. Le prime validazioni sperimentali condotte con un soggetto amputato di arto superiore hanno dimostrato un'elevata accuratezza nella discriminazione di temperatura e materiali, evidenziando il potenziale del feedback termico nel migliorare il senso di incorporazione della protesi, la percezione dell'ambiente circostante e la sicurezza durante l'interazione con gli oggetti. Nel complesso, questa tesi propone un quadro integrato che combina progettazione hardware avanzata, modellazione matematica, validazione sperimentale e ripristino del feedback sensoriale per migliorare la funzionalità, l'intuitività e l'accettazione da parte dell'utente delle protesi mioelettriche di arto superiore. Le metodologie sviluppate contribuiscono al progresso della robotica protesica, offrendo soluzioni concrete per la realizzazione di dispositivi assistivi sempre più naturali, efficaci e orientati alle esigenze dell'utilizzatore.