Studio della cinematica delle dita della mano umana al fine di attuare una mano ad elevata destrezza: applicazione al sistema DexterHand

Abstract

The development of multi-articulated prosthetic hands makes it increasingly important to investigate movement strategies capable of reproducing not only the final configurations of the human hand, but also the kinematic and temporal patterns through which they are reached. This thesis investigates the intra-digit coordination between the metacarpophalangeal (MCP) and proximal interphalangeal (PIP) joints of the fingers, with the aim of extracting information that can support the definition of bio-inspired motion strategies for the DexterHand prosthetic system.

The analysis is based on kinematic data acquired with a CyberGlove and included in the NinaPro DB8 dataset. Temporal coordination is studied by identifying the onset of flexion and extension phases and quantifying the delays between MCP and PIP, which are subsequently analyzed using descriptive methods and linear mixed-effects models. In parallel, joint angles are used to reconstruct fingertip trajectories through forward kinematics. Different repetitions are compared through a normalized arc-length reparameterization, allowing representative mean trajectories to be obtained.

Finally, these trajectories are considered as a reference for a preliminary application to the DexterHand geometry, highlighting the differences between human and prosthetic kinematics and the need for dedicated retargeting strategies. Overall, this work provides a quantitative characterization of MCP–PIP coordination and a methodological basis for the development of more bio-inspired prosthetic movements.

Lo sviluppo di mani protesiche poliarticolate rende sempre più rilevante lo studio di strategie di movimento capaci di riprodurre non solo le configurazioni finali della mano umana, ma anche le modalità cinematiche e temporali con cui esse vengono raggiunte. Il presente lavoro analizza la coordinazione intra-digitale tra le articolazioni metacarpofalangea (MCP) e interfalangea prossimale (PIP) delle dita lunghe, con l’obiettivo di ricavare informazioni utili alla definizione di strategie di movimento bio-ispirate per il sistema protesico DexterHand.

L’analisi è condotta sui dati cinematici acquisiti mediante CyberGlove e disponibili nel dataset NinaPro DB8. La componente temporale viene studiata attraverso l’individuazione degli onset delle fasi di flessione ed estensione e la quantificazione dei ritardi tra MCP e PIP, successivamente analizzati mediante strumenti descrittivi e modelli lineari a effetti misti. Parallelamente, gli angoli articolari vengono utilizzati per ricostruire, tramite cinematica diretta, le traiettorie della punta delle dita. Le diverse ripetizioni sono confrontate mediante una riparametrizzazione rispetto alla lunghezza d’arco normalizzata, da cui vengono ottenute traiettorie medie rappresentative del movimento.

Infine, tali traiettorie vengono considerate come riferimento per una prima applicazione sulla geometria di DexterHand, evidenziando le differenze tra cinematica umana e protesica e la necessità di strategie di retargeting dedicate. Il lavoro fornisce quindi una caratterizzazione quantitativa della coordinazione MCP–PIP e una base metodologica per lo sviluppo di movimenti protesici maggiormente bio-ispirati.