Sensori di forza e tattili nel monitoraggio e controllo di protesi e robot: applicazioni, innovazioni e struttura tecnica

The increasing integration of force and tactile sensors in robotic and prosthetic devices represents one of the most significant and promising challenges in modern mechatronic engineering. This thesis systematically analyzes force measurement technologies, with a particular focus on prosthetic applications, where the ability to replicate human touch sensitivity is essential to ensure safe, natural, and intuitive interaction. After an overview of the application context and the main sensor types, the work focuses on a case study developed in MATLAB, simulating the behavior of a Force Sensitive Resistor (FSR) sensor, highlighting its nonlinear response and characteristic hysteresis. The modeling and design of a simple proportional controller allow us to analyze the system's performance in different operating scenarios. The thesis continues with a comparative analysis of FSR and strain gauge sensors, evaluating their advantages, limitations, and typical readout circuits. The results highlight the need to balance cost, accuracy, and circuit complexity in sensor selection, while suggesting possible future development directions, such as the use of hybrid sensors and the adoption of advanced controllers for the compensation of nonlinearities and hysteresis.

La crescente integrazione di sensori di forza e tattili nei dispositivi robotici e protesici rappresenta una delle sfide più rilevanti e promettenti dell’ingegneria meccatronica moderna. Questa tesi analizza in modo sistematico le tecnologie di misura della forza, con particolare attenzione alle applicazioni protesiche, dove la capacità di replicare la sensibilità del tatto umano è fondamentale per garantire interazione sicura, naturale e intuitiva. Dopo un inquadramento del contesto applicativo e delle principali tipologie di sensori, il lavoro si concentra su un caso studio sviluppato in MATLAB, in cui viene simulato il comportamento di un sensore FSR (Force Sensitive Resistor), evidenziandone la risposta non lineare e l’isteresi caratteristica. La modellazione e il design di un semplice controllore proporzionale permettono di analizzare le prestazioni del sistema in diversi scenari operativi. La tesi prosegue con un’analisi comparativa tra FSR e sensori a estensimetro (Strain Gauge), valutandone vantaggi, limiti e circuiti di lettura tipici. I risultati mettono in evidenza la necessità di bilanciare costi, precisione e complessità circuitale nella scelta sensoriale, suggerendo al contempo possibili direzioni future di sviluppo, come l’impiego di sensori ibridi e l’adozione di controllori avanzati per la compensazione delle non linearità e dell’isteresi.