Sensori EMG e Mioelettrici: dall'elaborazione del segnale alle protesi bioniche

The aim of this thesis is to analyze the use of electromyographic (EMG) signals as a control tool for bionic prosthetic devices, through a multidisciplinary approach that integrates knowledge from physiology, biomedical engineering, and signal processing. Interest in this topic stems from the growing need for increasingly effective, intuitive, and customizable prosthetic solutions capable of restoring a level of functionality and autonomy to amputee users that is as close as possible to the natural one. In particular, EMG represents a promising interface for direct motor control, thanks to its ability to capture movement intention from residual muscular activation. However, it is important to highlight the growing necessity to integrate this control system with additional technologies, in order to make the use of prostheses as natural and realistic as possible. The first chapter describes the human muscular system, with particular attention to the generation of the EMG signal and the role of the sensors used for its detection. The second chapter focuses on EMG signal acquisition and pre-processing techniques, with an emphasis on preamplification, filtering, and noise reduction. The third chapter analyzes the functioning of bionic prostheses, highlighting the most advanced solutions for human-machine interfacing and EMG-based control systems integrated with innovative technologies. Finally, the fourth chapter presents an experimental analysis of EMG data conducted using a computer-based simulation of undesirable effects during the signal acquisition process. The results obtained demonstrate the potential of EMG as a natural communication channel between the human body and artificial devices, paving the way for future applications in the fields of rehabilitation, assistive robotics, and patient-specific prosthetic customization.

La tesi si propone di analizzare l’utilizzo del segnale elettromiografico (EMG) come strumento di controllo per dispositivi protesici bionici, con un approccio multidisciplinare che integra conoscenze di fisiologia, ingegneria biomedica ed elaborazione del segnale. L’interesse verso questa tematica nasce dalla crescente necessità di soluzioni protesiche sempre più efficaci, intuitive e personalizzabili, in grado di restituire agli utenti amputati un livello di funzionalità e autonomia quanto più vicino possibile a quello naturale. In particolare, l’EMG rappresenta un’interfaccia promettente per il controllo motorio diretto, grazie alla sua capacità di captare l’intenzione del movimento a partire dall’attivazione muscolare residua. Tuttavia, è bene sottolineare la necessità sempre più grande di integrare tale sistema di controllo ad ulteriori tecnologie, in grado di rendere naturale e quanto più vicino alla realtà possibile l'utilizzo delle protesi. Nel primo capitolo viene descritto il sistema muscolare umano, con particolare attenzione alla generazione del segnale EMG e al ruolo dei sensori utilizzati per la sua rilevazione. Il secondo capitolo è dedicato alle tecniche di acquisizione e pre-processing del segnale EMG, con un focus su preamplificazione, filtraggio e riduzione del rumore. Il terzo capitolo analizza il funzionamento delle protesi bioniche, evidenziando le soluzioni più avanzate per l’interfacciamento uomo-macchina e i sistemi di controllo basati su EMG integrati a tecnologie innovative. Infine, il quarto capitolo presenta un’analisi sperimentale di dati EMG svolta attraverso il calcolatore per la simulazione degli effetti indesiderati durante il processo di acquisizione del segnale. I risultati ottenuti mostrano il potenziale dell’EMG come canale di comunicazione naturale tra corpo umano e dispositivi artificiali, aprendo la strada a future applicazioni nel campo della riabilitazione, della robotica assistiva e della personalizzazione delle protesi su misura del paziente.