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Capitolo 2

La Mano Umana

La mano dell’uomo e uno strumento in grado di eseguire innumerevoli azioni. La sua

funzione essenziale e la prensione e grazie alla sua architettura e dotata di innumerevoli

possibilita di posizione, movimento e azione.

L’elevata facolta di prensione raggiunge nell’uomo la perfezione ed e attribuibile alla

particolare disposizione del pollice che riesce ad opporsi a tutte le dita. Anche nelle

scimmie il pollice e opponibile ma non ha la stessa ampiezza di opposizione che nell’uomo.

La mano puo’ essere considerata l’ organo terminale dell’arto superiore che ne costitu-

isce il supporto e le consente di orientarsi nel modo migliore per svolgere un determinato

compito. Essa e estremamente versatile e questa sua assenza di specializzazione la rende

strumento di adattabilita e creativita per l’uomo. Essa non e soltanto un organo operativo,

ma e anche un organo esplorativo e recettivo in grado di trasferire all’uomo informazioni

essenziali alla conoscenza del mondo circostante e al suo stesso funzionamento. Senza

la mano la visione del mondo sarebbe piatta e senza rilievi e, grazie alla comunicazione

con la corteccia cerebrale, permette all’uomo di riconoscere un oggetto senza vederlo e di

comprendere in generale lo spazio.

Mano e cervello costituiscono una coppia funzionale indissolubile e grazie a questa

stretta collaborazione l’uomo puo’ intervenire sulla natura seguendo i propri progetti e

distinguendosi dalle altre specie viventi.

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CAPITOLO 2. LA MANO UMANA 10

2.1 Architettura della Mano

La caratteristica fondamentale della mano umana e la sua adattabilita alla forma del-

l’oggetto afferrato. Su una superficie piana, come ad esempio un vetro, la mano si appiat-

tisce e viene a contatto con parte del palmo e delle falangi. Se l’oggetto afferrato invece

e voluminoso allora la mano si incurva e si vengono a formare degli archi secondo tre

direzioni principali (Fig. 2.1).

Figura 2.1: Esempi di adattabilita della mano umana

L’asse di riferimento della mano viene preso convenzionalmente coincidente con l’asse

del terzo metacarpo e del dito medio. Quando le dita vengono allontanate e si apre la

mano il dito medio rimane di fatto immobile e le altre dita si allontanano dal medio in

modo tale che l’asse di ciascun dito viene a convergere in un punto collocato alla base

della mano all’incirca in corrispondenza di una protuberanza facilmente individuabile con

la palpazione (tubercolo dello scafoide). Avvicinando invece le dita della mano le une con

le altre, gli assi delle dita non sono parallele ma convergono in un punto molto distante dall’

estremita della mano. Cio e dovuto al fatto che le dita non sono cilindriche ma leggermente

rastremate verso l’estremita. In posizione naturale le dita sono leggermente distanti l’una

dall’altra e i loro assi non convergono nello stesso punto. Solitamente anulare e mignolo

hanno assi all’incirca paralleli mentre quelli di indice e pollice convergono. L’asse del medio


costituisce sempre l’asse della mano e corrisponde alla zona di transizione. Chiudendo la

mano a pugno, con le ultime due falangi estese, gli assi delle ultime due falangi delle

quattro dita e l’asse del pollice esclusa quella dell’ultima falange, convergono in un punto

alla base del polso. Questa volta l’asse dell’indice rimane longitudinale,mentre quelli delle

altre dita sono via via piu inclinati mano mano che si allontanano dall’indice formando una

specie di ventaglio. Questa disposizione garantisce l’opposizione fra il pollice e le ultime

due dita, buona quanto quella fra pollice e indice e pollice e medio (Fig. 2.2).

Figura 2.2: Posture possibili della mano umana

La mano umana e composta da ossa, muscoli, legamenti, tendini, vene, arterie e nervi

che le permettono di compiere movimenti complessi e le garantiscono funzionalita multiple.

Essa contiene 27 ossa e 19 muscoli e, grazie ai suoi nervi e recettori, e molto sensibile. Le

ossa sono connesse fra di loro da articolazioni che le permettono di compiere movimenti

di flessione, estensione, adduzione e abduzione. I muscoli possono essere raggruppati in

muscoli intrinseci che si trovano nella mano e muscoli estrinseci che si trovano nell’avam-

braccio e sono connessi alle dita mediante tendini. Il numero di ossa ed articolazioni, la

potente e accurata muscolatura e l’epidermide estremamente sensibile rendono la mano

un organo motorio intelligente e complesso.

In breve la mano rappresenta un esempio meraviglioso di sistema naturale boimecca-


Figura 2.3: Architettura di un generico sistema biomeccatronico e architettura della mano umana

tronico fonte di ispirazione per numerosi progettisti robotici.

Il sistema completo mano puo essere suddiviso in una serie di sottosistemi che trovano

la loro controparte artificiale. In (Fig. 2.3) si rappresenta il parallelo fra la composizione

di un generico sistema biomeccatronico e la composizione del sistema mano umana.

Figura 2.4: Gruppi principali della struttura muscoloscheletrica della mano umana

Proseguendo il parallelo con il sistema biomeccatronico artificiale, dal punto di vista

meccanico e strutturale (anatomico) la mano umana puo essere divisa in quattro sottosis-

temi principali (Fig. 2.4):

1. Struttura ossea


2. Articolazioni

3. Struttura muscolare

4. Tendini

2.1.1 La struttura ossea

Lo scheletro della mano umana e composto da 27 segmenti ossei divisi in 3 gruppi (Fig.

2.5):

1. Falangi: n. 14 ossa

2. Metacarpi: n. 5 ossa

3. Carpo: n. 8 ossa

Figura 2.5: Scheletro della mano umana

Ciascun dito e composto da tre falangi ad eccezione del pollice che ne ha solo due.

I metacarpi collegano le dita al carpo che a sua volta collega la mano all’avambraccio


costituendo il polso. L’insieme del metacarpo e delle falangi di ciascun dito costituisce

una catena cinematica aperta in grado di muoversi grazie all’azione dei muscoli intrinseci

ed estrinseci.

2.1.2 Le articolazioni

I segmenti ossei sono collegati fra di loro tramite le articolazioni. Le articolazioni garan-

tiscono il movimento relativo fra i vari segmenti e grazie ad esse la mano possiede la sua

straordinaria mobilita.

Le articolazioni sono composte dalle superfici articolari (comprendenti la capsula arti-

colare, il liquido sinoviale e la cartilagine) e dai legamenti che tengono insieme i segmenti

ossei. La forma delle superfici di contatto e estremamente complessa e grazie ad essa le

possibilita di movimento relativo fra i segmenti ossei possono essere molteplici. Prima di

definire le possibilita di movimento di ciascuna articolazione e opportuno introdurre la

terminologia di base alla quale si fara riferimento nel seguito.

Figura 2.6: Definizione dei principali tipi di movimento

Come indicato nella Fig. 2.6, con la mano in posizione anatomica aperta e cioe in

supinazione completa, si definisce piano frontale il piano passante per l’asse del dito medio

e parallelo al palmo aperto. Si definisce invece piano sagittale il piano passante per l’asse


del dito medio ed ortogonale al piano frontale. La direzione dell’asse del medio rivolta

verso il polso prende il nome di direzione prossimale mentre la direzione opposta viene

detta direzione distale. In generale tutti gli elementi e i riferimenti anatomici piu vicini al

corpo vengono detti prossimali, quelli piu lontani distali.

La direzione frutto dell’intersezione fra piano sagittale e piano frontale viene detta

direzione radiale se rivolta verso il pollice e direzione ulnare se rivolta in verso opposto.

Si definisce allora movimento di flessione il movimento di chiusura del dito sul piano

sagittale e movimento di estensione quello di apertura sempre sul piano sagittale. Il

movimento trasversale del dito sul piano frontale, rivolto verso il pollice e detto movimento

di abduzione, mentre quello opposto verso il mignolo e detto movimento di adduzione.

Facendo riferimento alla definizione di Grado di Liberta (Deegre of Freedom - DoF)

meccanico/robotico e traducendolo qualitativamente in possibilita di movimento, si puo

dire che la mano umana possiede 23 Gradi di Liberta ripartiti fra le varie articolazioni

come indicato in (Fig. 2.7).

Figura 2.7: Articolazioni e Gradi di Liberta (DoFs) della mano umana

Le articolazioni che possiedono contemporaneamente e prevalentemente 2 DoFs lo de-


vono alla particolare forma delle superfici di contatto detta a sella che, possedendo una

doppia curvatura, consente di combinare le rotazioni attorno a due assi concorrenti ortog-

onali. Quelle invece prevalentemente ad un solo DoF lo dovono alla presenza di una forma

delle superfici di contatto di tipo trocleare sul segmento prossimale e di tipo glenoidale

sul segmento distale. La piccola cresta smussa che divide le cavita glenoidali viene a

combaciare con la gola della troclea impedendo quindi i movimenti trasversali (Fig. 2.8).

Figura 2.8: Conformazione delle superfici di contatto delle articolazioni

Degna di particolare attenzione e l’articolazione metacarpo-falangea. Si tratta di una

articolazione di tipo condiloideo a sella a 2 DoFs. La testa del metacarpo e una superficie

biconvessa e si affaccia alla base della falange prossimale che e una superficie biconcava.

Data la variabilita del raggio di curvatura della testa del metacarpo il centro di istan-

tanea rotazione si muove durante la flessione. A causa di questo movimento i legamenti

collaterali, vincolati al metacarpo in un punto non corripondente al centro di istantanea

rotazione, variano di lunghezza rilassandosi durante l’estensione e tendendosi durante la

flessione. In questo modo il movimento di abduzione e adduzione puo essere eseguito

pienamente solo in estensione (Fig. 2.9).

2.1.3 La struttura muscolare e i tendini

La mano umana possiede circa 40 muscoli suddivisi in muscoli intrinseci posizionati

all’interno della mano e muscoli estrinseci, collocati nell’avambraccio.


Figura 2.9: L’articolazione metacarpo-falangea

I muscoli sono composti da fibre in grado di accorciarsi attivamente e resistere pas-

sivamente a una trazione ma non allungarsi attivamente. Proprio per la loro capacita

di contrarsi in seguito al comando proveniente dal cervello e dal midollo spinale (sistema

nervoso centrale SNC) realizzano il movimento della mano trasferendo, per mezzo dei

tendini, le forze ai segmenti articolari. Le fibre muscolari sono collegate, a loro volta, al

sistema nervoso grazie ai motoneuroni, che originano nel midollo spinale; l’attivazione di

un motoneurone determina la contrazione della fibra muscolare.

I muscoli della mano sono ancorati ai segmenti articolari per mezzo di un tendine corto

alla loro estremita prossimale e per mezzo di un lungo tendine alla loro estremita distale.

I tendini sono robusti fasci paralleli di fibre di collagene che spesso attraversano molti

giunti della mano prima di inserirsi nellosso. Ogni muscolo svolge una precisa funzione,

se considerato singolarmente, ma, se si contrae insieme con altri muscoli per realizzare un

certo movimento, puo di volta in volta essere il protagonista principale di quel movimento

(funzione agonista) o puo tendere a fermarlo (funzione antagonista), oppure partecipare

attivamente, al pari di altri muscoli, a realizzare un movimento complesso (funzione sin-

ergica). Tutti i muscoli della mano possono essere considerati multiarticolari poiche i loro

tendini attraversano uno o piu giunti. L’azione combinata dei muscoli estrinseci e dei

muscoli intrinseci, sotto il controllo del sistema nervoso centrale, permette lo svolgimento

dei compiti di presa e di manipolazione. I movimenti fini della mano sono controllati dai

muscoli intrinseci, in collaborazione con i piu potenti muscoli estrinseci dell’avambraccio.


I muscoli estrinseci: estensori e flessori

I muscoli estrinseci risiedono nell’avambraccio e si distinguono in estensori e flessori. Si

inseriscono sulle falangi delle dita per mezzo dei tendini.

Gli estensori si trovano nel lato dorsale dell’avambraccio e sono i principali responsabili

dei movimenti di estensione delle dita. I piu rilevanti sono (Fig. 2.10):

Figura 2.10: Principali muscoli estensori della mano

1. Estensore comune delle dita (Extensor Digitorum Communis-EDC): ha una ramifi-

cazione molteplice all’altezza del polso e si inserisce alla base della prima falange di

ciascun dito; e responsabile dell’estensione di tutte le articolazioni attraversate dai

suoi tendini e cioe del giunto metacarpo-falangeo e, assieme agli estensori del carpo,

delle articolazioni del polso.

2. Estensore lungo del pollice (Extensor Pollicis Longus-EPL): si inserisce alla seconda

falange del pollice; e responsabile della estensione della prima e seconda falange del

pollice.

3. Estensore breve del pollice (Extensor Pollicis Brevis-EPB): si inserisce alla base della

prima falange del pollice; e responsabile della estensione della prima falange del

pollice.


4. Estensore dell’indice (Extensor Indicis-EI): si inserisce alla base della prima falange

dell’indice in corrispondenza del punto di attacco dell’EDC; e responsabile del-

l’estensione di tutte le articolazioni attraversate dal suo tendine e cioe del giunto

metacarpo-falangeo dell’indice e delle articolazioni del polso.

5. Estensore del mignolo (Extensor Digiti Minimi-EDM): si inserisce alla base del-

la prima falange del mignolo in corrispondenza del punto di attacco dell’EDC; e

responsabile dell’estensione dell’articolazione metacarpo-falangea del mignolo e dei

giunti interfalangei.

I flessori risiedono sul lato ventrale dell’avambraccio, sono disposti su piu strati e sono

i principali responsabili dei movimenti di flessione delle dita. I piu rilevanti sono (Fig.

2.11):

Figura 2.11: Principali muscoli flessori della mano

1. Flessore superficiale delle dita (Flexor Digitorum Superficialis-FDS): il tendine di

questo muscolo si sdoppia a livello dell’articolazione metacarpo-falangea di ciascun

dito in due parti che vanno a circondare il Flessore Profondo delle Dita e si riu-

niscono a livello dell’articolazione interfalangea prossimale per inserirsi sulle facce

laterali della seconda falange; e responsabile della flessione di tutte le articolazioni


attraversate dal suo tendine e cioe della interfalangea prossimale e dell’articolazione

metacarpo-falangea di ciascun dito e delle articolazioni del polso.

2. Flessore profondo delle dita (Flexor Digitorum Profundus-FDP): si inserisce alla base

della terza falange di indice, medio, anulare e mignolo; e responsabile della flessione

delle sole articolazioni interfalangee distali delle corrispondenti dita ma interviene

anche nella flessione delle articolazioni interfalangee prossimali e delle articolazioni

metacarpo-falangee assieme all’azione del flessore superficiale delle dita.

3. Flessore lungo del pollice (Flexor Pollicis Longus-FPL): si inserisce alla base della sec-

onda falange del pollice; e responsabile della flessione delle articolazioni attraversate

dal suo tendine e cioe della interfalangea distale del pollice, della metacarpo-falangea

del pollice e in piccola parte anche del polso.

I muscoli intrinseci

I muscoli intriseci risiedono nel palmo della mano e si distinguono in interossei e lombri-

cali. Tali muscoli garantiscono, insieme ai muscoli estrinseci, i movimenti di flessione ed

estensione delle dita; sono inoltre responsabili dei movimenti di adduzione e abduzione

delle dita.

Gli interossei sono disposti nel palmo della mano fra i metacarpi e sono i principali

responsabili dei movimenti di adduzione e abduzione delle dita. I piu rilevanti sono (Fig.

2.12):

1. Interossei dorsali : si inseriscono prossimalmente ai lati del metacarpo di ciascun dito

e distalmente lateralmente alla base della prima falange di ciascun dito. Abducono

le dita rispetto all’asse longitudinale del dito medio e partecipano alla flessione del-

l’articolazione metacarpo-falangea e all’estensione delle articolazioni interfalangee

prossimali e distali.

2. Interossei palmari : si inseriscono prossimalmente alla base dei metacarpi e dis-

talmente lateralmente alla base della prima falange di ciascun dito. Adducono le

dita rispetto all’asse longitudinale del dito medio partecipano alla flessione del-

l’articolazione metacarpo-falangea e all’estensione delle articolazioni interfalangee

prossimali e distali.


Figura 2.12: I muscoli interossei della mano

I lombricali sono quattro muscoli disposti nel palmo della mano che si inseriscono

prossimalmente sui tendini del flessore profondo delle dita (FDP). Ciascun lombricale passa

al lato radiale del dito corrispondente e di fronte all’articolazione metacarpo-falangea e si

inserisce nel complesso estensore (insieme di fibre che raggruppa i vari tendini estensori

in prossimita dei punti di inserzione) del dito corrispondente. La loro funzione cambia

a seconda del grado di estensione e flessione del dito. Intervengono direttamente nella

estensione delle articolazioni interfalangee distali e prossimali e potenziano le forze di

flessione della articolazione metacarpo-falangea (Fig. 2.13).

Figura 2.13: I muscoli lombricali della mano


La forza generata dai muscoli viene trasmessa ai segmenti ossei della mano per mez-

zo di strutture tendinee. I tendini scorrono parallelamente ai segmenti ossei e vengono

mantenuti in posizione da guaine fibrose (Fig. 2.14).

Figura 2.14: Il passaggio dei tendini e le capsule articolari

Grazie ai tendini, le forze generate dai muscoli vengono convertite in coppie attorno

alle articolazioni. Lo sbilancio fra la coppia esercitata dai muscoli agonisti e quella es-

ercitata dai muscoli antagonisti genera la rotazione relativa attorno all’articolazione fra i

segmenti articolari interessati . Il controllo del dito e il risultato dell’azione di un insieme

di muscoli che agiscono contemporaneamente sulla stessa articolazione. La ridondanza del

sistema tendineo consente la contrazione agonista/antagonista e sinergica dei muscoli per

sintonizzare in maniera ottimale la rigidita dei giunti articolari in relazione al compito da

eseguire.

2.1.4 Le ampiezze di movimento della mano

Ai fini della progettazione di una mano artificiale e necessario conoscere le possibilita e le

ampiezze di movimento della mano umana.

Le articolazioni metacarpo-falangee sono in grado di flettersi fino a 90◦ per quanto

riguarda l’indice e l’angolo massimo di flessione cresce via via passando dall’indice al


mignolo. L’ampiezza di estensione attiva varia a seconda dei soggetti e oscilla dai 30◦ ai

40◦.

Fra tutte le dita escluso il pollice, l’indice e quello che possiede la piu ampia possibilita

di movimento in abduzione e adduzione. In direzione radiale/ulnare le deviazioni angolari

sono cosı distribuite: indice 13◦/42◦, medio 8◦/34◦, anulare 14◦/20◦, mignolo 19◦/33◦.

Dalla combinazione fra i movimenti di abduzione e adduzione e quelli di flessione e

estensione nasce il movimento di circonduzione. Lo spazio massimo di lavoro e rappresen-

tato da un cono avente il vertice in corrispondenza dell’articolazione metacarpo-falangea

e con asse coincidente con la posizione naturale di equilibrio dell’articolazione stessa.

Le articolazioni di tipo condiloideo possiedono prevalentemente 2 DoFs ma, grazie alla

lassita dei legamenti, tollerano anche una moderata possibilita di rotazione passiva attorno

all’asse longitudinale di circa 60◦.

L’ampiezza di flessione nelle articolazioni interfalangee prossimali supera i 90◦. Cosı

come per le metacarpo-falangee, questa ampiezza di flessione cresce dall’indice al mignolo

fino a raggiungere i 135◦.

L’ampiezza di flessione nelle articolazioni interfalangee distali e intorno ai 70◦. Anche

in questo caso tale ampiezza cresce dall’indice al mignolo fino a raggiungere i 90◦.

Figura 2.15: Le ampiezze di movimento della mano

L’ampiezza dell’estensione attiva delle articolazioni interfalangee prossimali e pressoche

nulla, in quelle distali e molto debole e si aggira attorno ai 5◦. L’estensione passiva e


anch’essa nulla per l’interfalangea prossimale ma molto marcata per l’interfalangea distale

(30◦)(Fig. 2.15).

2.1.5 Il pollice

Il pollice della mano umana, con le sue elevate possibilita di opposizione, costituisce l’ele-

mento di distinzione dagli altri esseri viventi; e l’elemento indispensabile per la formazione

della pinza pollici-digitale con le altre dita e collabora in maniera essenziale alla costi-

tuzione della presa di forza con le altre dita. Senza il pollice la mano perde gran parte

delle sue possibilita.

Figura 2.16: La catena articolare del pollice

Il pollice e in grado di assolvere queste funzioni grazie alla sua particolare confor-

mazione e posizione rispetto alle altre dita; puo infatti incontrare le altre dita isolatamente

o globalmente nei movimenti di opposizione e puo allontanarsene nei movimenti di contro-

opposizione per rilasciare la presa. Cio e dovuto alla particolare organizzazione della sua

catena osteo-articolare e ai sui muscoli motori.


Il pollice e costituito da due falangi ma il fatto piu importante e che la sua catena ar-

ticolare e disposta piu prossimalmente rispetto alle altre dita per cui l’estremita della sua

falange distale arriva alla meta circa della prima falange dell’indice. In base al principio

d’economia universale (principio D’Occam) secondo il quale tutte le funzioni sono assi-

curate da un minimo di struttura e organizzazione, per una funzione ottimale del pollice

cinque parti e quattro articolazioni sono necessarie e sufficienti, cio corrisponde a cinque

DoFs necessari e sufficienti per realizzare l’opposizione.

Tralasciando l’articolazione scafo-trapezoidea alla base del carpo che di fatto possiede

un DoF trascurabile, le articolazioni del pollice si distinguono in (Fig. 2.16).

1. trapezo-metacarpica (TM) a 2 DoFs

2. metacarpo-falangea (MP) a 2 DoFs

3. interfalangea (IP) a 1 DoF

Figura 2.17: La geometria dell’opposizione

Geometricamente l’opposizione del pollice consiste nel far coincidere nello spazio due

punti appartenenti l’uno al polpastrello del pollice e l’altro al polpastrello del dito oppo-

nente e i piani tangenti alle superfici dei polpastrelli (ovvero far coincidere le normali ai

piani tangenti alla superficie di contatto nel punto di contatto).

Per far coincidere due punti nello spazio sono necessari 3 DoFs. Altri 2 DoFs sono

necessari per far coincidere le normali ai piani tangenti e cioe per far ruotare tali piani


attorno a due assi ortogonali appartenenti ai piani stessi fino a raggiungere la coincidenza.

In definitiva per ottenere l’opposizione sono necessari in totale 5 DoFs: 3 DoFs per far

coincidere i punti di contatto e 2 DoFs per far coincidere i piani tangenti alle superfici dei

polpastrelli (Fig. 2.17).

Data la mobilita del pollice, non esiste una opposizione ma una gamma di oppo-

sizioni che realizza una grande molteplicita di prese e azioni a seconda del numero di dita

coinvolte e delle loro modalita di associazione. Tutte le possibilita di opposizione sono

contenute all’interno di un settore conico dello spazio con il vertice all’altezza dell’artico-

lazione trapezio-metacarpica detto cono di opposizione. La base di tale cono e limitata

dalla grande corsa e dalla piccola corsa (Fig. 2.18).

Figura 2.18: L’ampiezza del movimento di opposizione

Dal punto di vista meccanico l’opposizione del pollice e un movimento complesso frutto

della combinazione dei 5 DoFs della catena articolare del pollice. I movimenti fondamentali

che vengono coinvolti sono (Fig. 2.19):

1. Anteposizione in proiezione: il pollice si porta in avanti rispetto al piano del palmo;

tale movimento e prevalentemente dovuto all’articolazione trapezio-metacarpica e

consta in un allontanamento del metacarpo del pollice dal metacarpo dell’indice (da

alcuni autori inglesi viene chiamato anche abduzione del pollice).

2. Flessione: tutta la catena articolare del pollice si porta internamente al palmo (per


questo viene detto anche movimento di abduzione); tutte le articolazioni del pollice

vengono coinvolte.

3. Pronazione: l’ultima falange del pollice ruota passivamente attorno al proprio asse

longitudinale garantendo la coincidenza delle normali ai piani tangenti nel punto di

contatto; tale rotazione e il risultato dell’attivita di tutta la catena articolare del

pollice ed intervengono dunque tutte le articolazioni ma in particolare la trapezio-

metacarpica che viene a comportarsi come un giunto cardanico. Una mano artificiale

che implementi un giunto del genere alla base del pollice assolve perfettamente il suo

ruolo e permette una opposizione naturale e antropomorfa

Figura 2.19: I movimenti principali durante l’opposizione

2.2 Le modalita di prensione

Data la sua mobilita e la sua complessa organizzazione anatomica e funzionale, la mano

umana e in grado di sviluppare un numero enorme di prese. Queste possono essere

classificate in (Fig. 2.20):

1. Prese digitali : coinvolgono soltanto le dita e il pollice e a seconda del numero di dita


coinvolte possono essere piu o meno precise (prese bi-digitali di precisione, prese

pluridigitali piu stabili e solide).

2. Prese palmari : coinvolgono, oltre le dita, anche il palmo della mano e si distinguono

in digito-palmari se il pollice non e coinvolto e palmari piene se il pollice inter-

viene in modo determinante nella presa. Le prime, non coinvolgendo il pollice sono

poco stabili e vengono utilizzate per afferrare oggetti voluminosi ma piu il diametro

dell’oggetto e grande e piu la presa manca di fermezza. Le seconde invece sono es-

tremamente stabili e costituiscono le cosiddette prese di forza adatte all’afferraggio

di oggetti pesanti e voluminosi.

3. Prese centrate: coinvolgono tutte le dita e il palmo. L’oggetto di forma allungata e

tenuto stabilmente dalla presa palmare facendo intervenire il pollice e le ultime tre

dita. L’indice assume un ruolo direttivo essenziale in quanto orienta l’oggetto. L’asse

longitudinale dell’oggetto afferato viene a coincidere approssimativamente con l’asse

dell’avambraccio e l’oggetto stesso diviene un prolungamento distale della mano.

Figura 2.20: I principali tipi di prese


2.3 Il sistema sensoriale

La versatilita della mano umana deriva dalla sua struttura e dal suo sistema di attuazione,

ma anche dall’integrazione di informazioni esterocettive e propriocettive. Le prime sono

raccolte da recettori superficiali differenti posti sulla cute e specificano la distribuzione

di pressioni di contatto, temperatura e forza; le seconde provengono da organi sensoriali

posti nelle articolazioni, nei muscoli e nei tendini e sono relative a dati circa la posizione,

la forza, il movimento che specificano la postura della mano. La fusione di queste due

classi di informazione e la cosiddetta percezione tattile che si verifica quando stimoli es-

terni interagiscono con i recettori del nostro corpo. La sensibilita tattile, quale si intende

comunemente, e un fenomeno complesso che consiste essenzialmente nella segnalazione

di un qualsiasi contatto della superficie della mano con un oggetto esterno da parte del

sistema somato-sensoriale verso i centri nervosi superiori; questi ultimi integrano ed elab-

orano il messaggio, inviando impulsi efferenti agli effettori cioe ai muscoli interessati, con

l’obiettivo di avere un movimento efficace e coordinato. La sensazione somatica ha inizio

dai recettori della pelle e delle pareti corporee e continua in quelli situati nei muscoli,

nei tendini, nei legamenti, nel tessuto connettivo delle articolazioni e negli organi interni.

Poich gli stimoli possono essere meccanici, chimici o fisici, sono necessari numerosi e diversi

tipi di recettori per individuarli.

2.3.1 Il tatto

La pelle e uno strato di un paio di millimetri che costituisce la frontiera fisica del corpo

umano. E un organo sensoriale attivo, allo stesso tempo altamente sensibile e estrema-

mente resistente. La pelle liscia (priva di peli) ha circa 17.000 unita tattili composte di

cinque grossi tipi di recettori (Fig. 2.21) : recettori liberi, corpuscoli di Meissner, dischi

di Merkel, corpuscoli di Pacini e terminazioni di Ruffini.

Dall’esterno verso l’interno e possibile distinguere tre strati differenti per struttura e

sensori: l’epidermide, il derma e il tessuto sottocutaneo (ipoderma). I diversi strati sono

mostrati in Fig. 2.22.

La parte piu esterna dell’epidermide e lo strato corneo uno strato molto sottile dalle

cui caratteristiche meccaniche dipende la distribuzione delle tensioni nelle zone sensibili


Figura 2.21: I meccanorecettori della pelle umana

Figura 2.22: Strati della pelle e recettori cutanei

sottostanti. Una buona trasmissione dello stimolo tattile dipende dall’elasticita dello strato

corneo; infatti, se sufficientemente elastico, esso segue con precisione i risalti dell’oggetto

toccato e trasmette ai tessuti sottostanti uno stato di sforzo non viziato da rigidezze

accessorie che possono essere considerate dei disturbi.

Immediatamente sotto lo strato corneo c’e un tessuto piu spesso e dalla forma piu

irregolare, con delle estroflessioni coincidenti (ma con ampiezze maggiori) con i solchi

delle impronte digitali (sulle dita) e con le irregolarita osservabili su qualsiasi pelle. Nelle

valli tra le estroflessioni sono alloggiati dei sensori detti corpuscoli di Meissner raffigurati

in Fig. 2.23

Questi costituiscono il 43% dei sensori tattili presenti nelle mani; sono di forma ovoidale,

di piccole dimensioni (80x30 micron), e disposti con l’asse maggiore perpendicolare alla


Figura 2.23: Corpuscoli di Meissner

superficie cutanea. E possibile immaginare un corpuscolo di Meissner come una colonna

di circa una decina di cellule cuneiformi, la cui base allargata e volta verso l’esterno. Fra le

cellule decorre tortuosamente una fibra nervosa afferente. Caratteristica di questi recettori

e il condividere con altri analoghi l’innervamento; cioe due o piu corpuscoli di Meissner

convogliano le loro uscite in un solo nervo afferente. In tal modo non e banale riconoscere

da quale recettore parte lo stimolo nervoso. Questi sensori rilevano il contatto velocemente,

non si saturano e sembrano avere grande importanza nel determinare il movimento sulla

superficie cutanea. I corpuscoli di Meissner non reagiscono ad una pressione persistente

ma solo a variazioni di pressione: quanto piu rapidamente varia la pressione, tanto piu e

intenso il segnale inviato alla fibra nervosa. Sulle creste delle estroflessioni si trovano altri

sensori, molto piu piccoli dei precedenti: i dischi di Merkel visibili in Fig. 2.24.

Figura 2.24: Dischi di Merkel

Sono i piu semplici sensori di tatto localizzati nello strato basale dell’epidermide. Cos-


tituiscono il 25% dei recettori tattili (sempre sulle dita) e giacciono nel piano parallelo alla

superficie della pelle. Le dimensioni di questi sensori sono di un ordine di grandezza inferi-

ore, circa 70.90 nanometri, e sono dedicati alla misurazione della pressione e al rilevamento

delle vibrazioni. L’accoppiata di questi sensori costituisce un sistema di rilevazione capace

di dare sui polpastrelli risoluzioni al di sotto del millimetro e sensibili a basse frequenze: 2-

64Hz. Man mano che si procede dai polpastrelli verso il palmo, la concentrazione di questi

sensori si riduce ma resta in numero tale da consentire un sufficiente riconoscimento delle

forme al solo contatto (cioe a dire staticamente, senza movimento relativo fra l’oggetto e

la pelle).

Figura 2.25: Distribuzione dei recettori cutanei

L’insieme dei sensori presenti nell’epidermide e responsabile della nostra capacita di

apprezzare la rugosita delle superfici.

Subito sotto l’epidermide si trova lo strato detto derma. In questo spessore trovano

collocazione svariate terminazioni nervose libere e i corpuscoli di Ruffini. I corpuscoli di

Ruffini sono oggetti fusiformi, sono presenti anche nella pelle non glabra e non hanno

una precisa localizzazione. Ammontano a circa il 19% del totale dei recettori sulle mani;

sono recettori lenti e sensibili alla pressione ed alla direzione degli stimoli tangenziali. A

questi sensori e riconducibile, in collaborazione con le terminazioni libere, la rilevazione

del calore.

Le terminazioni libere funzionano da recettori di calore, sentono gli stimoli dolorosi

e probabilmente coadiuvano i sensori principali: essi permeano praticamente tutto lo

spessore del derma, sotto lo strato corneo con isole sensorie piccolissime: da 0.5 a 2.5

micron. Analogamente ai corpuscoli di Meissner le terminazioni libere sono disposte


perpendicolarmente alla superficie cutanea.

Figura 2.26: Le terminazioni libere

Fra il derma ed l’ipoderma trovano posto i corpuscoli di Pacini. Sono oggetti di grosse

dimensioni, da 1 a 4 mm in lunghezza e da 0.5 a 1 mm di diametro, disposti tendenzial-

mente con l’asse maggiore orizzontale e incapsulati in una guaina di tessuto connettivo.

Costituiscono solo il 13% dei recettori nella pelle delle mani; abbiamo circa 2000 di questi

sensori in tutto il corpo e 1/3 e nelle dita. I corpuscoli di Pacini, sebbene molto profondi,

sono sensori veloci. Rilevano accelerazioni e vibrazioni nel campo delle alte frequenze (cir-

ca 250Hz), sono responsabili della sensazione del tocco leggero e risultano inerti a pressioni

stabili. In base alla velocita della risposta possiamo classificare i sensori descritti in:

1. Slowly Adapting (SA): Adattamento lento

2. Fast Adapting (FA) : Adattamento veloce

3. Very Fast Adapting (VFA) : Adattamento molto veloce

Ognuna di queste classi puo essere distinta in tipo I e tipo II in accordo ai loro campi

recettivi: piccoli con bordi netti per il tipo I, grandi con bordi vaghi per il tipo II. In

Fig. 2.27 e visibile il confronto tra distribuzione, campo recettivo e tipo di risposta a uno

stimolo, per i differenti recettori visti.

Occorre poi distinguere fra un rilevatore e un misuratore in riferimento ad un sensore

tattile: un rilevatore e un sensore che registra un evento quando questo supera una data

soglia di sensibilita; un misuratore ne da una valutazione quantitativa confrontabile, non

necessariamente in senso assoluto ma anche relativamente ad un altro stimolo. Le unita SA


Figura 2.27: Confronto tra distribuzione, campo recettivo e tipo di risposta per differenti

meccanorecettori

sono semplici rilevatori; registrano cioe l’occorrenza di una pressione e lo fanno desumen-

dola dallo stato di tensione del tessuto circostante. Tali recettori, una volta sollecitati,

tornano lentamente alla loro posizione di riposo con una curva di scarico indipendente

dalla durata dello stimolo, inoltre non vanno in saturazione e quindi ne segnalano con

precisione la durata. Gli SA di tipo I (SA-I) forniscono informazioni di velocita e movi-

mento (ad esempio i dischi di Merkel) mentre gli SA-II sono adatti a registrare condizioni

statiche (ad esempio i corpuscoli di Ruffini). Le unita FA rilevano il tocco e il movimento.

Forniscono informazioni temporali sulla comparsa degli stimoli, soprattutto in movimento

(manipolazione degli oggetti); sono diffusi anche nella pelle non glabra e nei polpastrelli.

Esempio di FA-I sono i corpuscoli di Meissner . Le unita VFA sono anche designate con

la sigla FA-II; appartengono a questa classe i corpuscoli di Pacini.

Tali sensori si scaricano rapidamente per ogni applicazione dello stimolo, da qui la

denominazione di adattamento veloce. Sono praticamente insensibili agli stati di defor-

mazione statici e per queste caratteristiche sono adatti come sensori di accelerazione.

2.3.2 La propriocezione

I propriocettori forniscono informazioni sull’orientamento del nostro arto rispetto al cor-

po. Piu in generale la propriocezione e la percezione del movimento del corpo e della

sua posizione nello spazio. I propriocettori sono essenziali per definire i confini del corpo,


esplorare gli oggetti e guidare i movimenti; essi generano il senso della posizione, il senso

del movimento e il senso della forza. Il senso della posizione ci permette di conoscere la

posizione della mano nell’ambiente circostante senza alcuna informazione visiva; il sen-

so del movimento ci rende capaci di percepire la velocita di contrazione e di estensione

dell’arto; il senso della forza indica la capacita di conoscere quanta forza stiamo eserci-

tando per tirare, spingere o sollevare un oggetto. I recettori dei giunti rilevano posizione,

velocita e accelerazione che intervengono durante il movimento e interessano le capsule

dei giunti. Questo e possibile in quanto ogni volta che un giunto si muove, le capsule del

giunto sono sia compresse che allungate. Fisiologicamente la variazione della frequenza

dell’impulso fornisce la velocita angolare mentre una variazione dell’ampiezza fornisce la

posizione del giunto. I propriocettori meccano-sensitivi sono divisi in recettori tendinei,

cui appartengono gli organi tendinei del Golgi, e recettori muscolari, di cui fanno parte i

fusi neuromuscolari. I corpi di Golgi sono localizzati a livello della giunzione delle fibre

muscolari con quelle tendinee, connessi in serie con gli elementi contrattili. Valutano la

forza generata da un muscolo, misurando la tensione del suo tendine. Agiscono come mec-

canismo di difesa nel caso di contrazione violenta di un muscolo che potrebbe provocare il

distacco del tendine dalla sua inserzione o la lacerazione del muscolo stesso. Infatti essendo

sensibili allo stiramento del tendine dovuto alla contrazione muscolare possono provocare

l’inibizione del motoneurone corrispondente causando la decontrazione del muscolo.

I fusi neuromuscolari misurano la lunghezza e l’entita dell’allungamento dei muscoli e

servono per regolare la velocita e lo stato di contrazione del muscolo, sia quando il muscolo

e stimolato passivamente, sia quando e stimolato attivamente, in condizioni naturali. Sono

entita fusiformi lunghe circa un centimetro, poste in parallelo in mezzo alle fibre muscolari.

I segnali afferenti provenienti dal fuso neuromuscolare ascendono ai centri motori supe-

riori dove queste informazioni sono utilizzate per la programmazione e il controllo della

prestazione motoria.

Si accenna brevemente ad altri due tipi di recettori: i nocicettori e i termocettori.

I termocettori permettono di acquisire informazioni sulle proprieta termiche dell’oggetto

preso. I nocicettori sono terminazioni nervose libere, ramificate che segnalano un dan-

no ai tessuti in atto o imminente. Si identificano in 3 categorie: nocicettori meccanici,

(rispondono ad intense pressioni, soprattutto se provocate da oggetti appuntiti), termici


(segnalano caldo rovente e freddo estremo) e polimodali.

Figura 2.28: Organi del Golgi e fusi neuromuscolari

2.4 Alcune considerazioni sulle forze di presa

Ai fini della progettazione biomeccatronica di una mano artificiale la specifica principale

da tenere in considerazione e la forza di presa. Tale specifica condiziona infatti in modo

determinante la scelta degli attuatori, della trasmissione meccanica e il dimensionamento

dei sensori e caratterizza le prestazioni e la funzionalita del dispositivo.

La mano umana e in grado di sviluppare forze di presa assai variabili da pochi Newton

(prese di precisione e manipolazione) a qualche centinaio di Newton (prese di forza) a

seconda del compito da realizzare e della forma, peso e volume dell’oggetto afferrato.

Come valori di riferimento si possono prendere i seguenti:

1. Presa laterale massima: 103N ± 21N

2. Presa palmare massima: 96N ± 24N

3. Presa utilizzata nei compiti usuali di afferraggio: max 20N

4. Presa utilizzata nei compiti usuali di manipolazione: max 8N


Si osserva che la mano umana puo sviluppare forze di presa notevoli ma la forza normal-

mente erogata nello svolgimento di compiti quotidiani non supera i 20N.

Le caratteristiche principali della mano umana sono riassunte nella Fig. 2.29 (Albrecht

Drer (1471/1528), Studie zuden Hnden eines Apostels) .

Figura 2.29: Specifiche della mano umana

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