Brescia UniversityMechanical and Industrial Engineering Department

Italy

XXIV Ciclo di Dottoratoin Meccanica Applicata

curriculum Biomeccanica

SISTEMI E MODELLI PER LA BIOMECCANICA DEL CORPO

UMANODottorando: Marco Ometto

Tutor:Giovanni Legnani

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CICLOERGOMETRO PER HANDBIKE

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CARATTERISTICHE E FUNZIONALITÀ

velocità

Potenzacostante

Coppia Iperbolica

velocità velocità

PotenzaCoppia

tempo

test incrementale(Potenza)PotenzaCoppia

Costante

L’atleta può scegliere la cadenza di “pedalata” che preferisce.

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CICLOERGOMETRO PER HANDBIKE: FIRMWARE

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CAN bus

Stop, Emergency

NoOp

Const Power

Poly Torque

User command

Motore Brushless

CONVERTITORE

Il convertitore esegue uno script (simile a Matlab) per l’esecuzione della Macchina a Stati. Il protocollo CAN permette di• cambiare i valori di alcune variabili dello script;• ricevere informazioni sullo stato del motore

(corrente, velocità);• gestire i parametri del controllo.

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CICLOERGOMETRO: MANOPOLA STRUMENTATA

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Due celle a ponte intero, forza parallela e perpendicolare all’asse verticale della manopola.Un encoder ottico per la misura dell’angolo di manovella.Un potenziometro per l’angolo della manopola (risp. manov.).Incertezza per modello quadratico:• cella orizzontale 2.7381 N -> 0.27912 kg• cella verticale 1.0477 N -> 0.1068 kg

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FT

FR

pushing

pulling

90°270°

180°

Crank angle

0°

La trazione prevale sulla spinta

Seppur significativa, la componente radiale non produce coppia motrice

1%70%50

rmsrms

rmsi FrFt

FtQ

trazione

spinta

FT Comp. TangenzialeFR comp. Radiale

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Q INDEX

valori alti di Q potrebbero indicare migliore coordinazione / maggiore destrezza.

40 60 80 100 120 140 160 18050%

52%

54%

56%

58%

60%

62%

64%

66%

68%

Series1Linear (Series1)

maximum power

Q i

%Qi subject Load HR Spine% [W] [bpm] injury

59% B.S. 60 143 C752% S.M. 60 153 C753% C.M. 80 123 T1057% B.M. 100 175 T861% S.L. 110 172 T460% C.A. 160 194 AMPUTEE66% A.M.. 160 183 T763% G.G. 160 168 T10

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Potenze maggiori presentano indice Q più elevato: può essere correlato alla necessità di diminuire gli “sprechi” di energia

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90°270°

180°

0°

90°270°

180°

0°[N]

FT forza tangenziale positiva

FR forza radiale positiva

FR forza radiale negativa

atleta esperto, 60 anni, lesione T10

Q=63%

Trazione

DIAGRAMMI POLARI DI FORZE APPLICATE E EMG

Blu -> Muscolo TricipiteArancio -> Muscolo Bicipite

Spinta

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SISTEMI AUTOMATICI PER LA RIABILITAZIONE

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STEPPER ASSISTITO DA

FES

SISTEMA MECCATRONICO

PER LA RIABILITAZIONE

DELL’ARTO SUPERIORE

REWALK

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SISTEMA MECCATRONICO PER LA RIABILITAZIONE DELL’ARTO SUPERIORE

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CAN bus

Motore

CONVERTITORE

PRIMA VERSIONE (BANCO PROVA)SCOPO: verificare la fattibilità dei controlli• piramidale• con cella di carico• in autoapprendimento

LOGICA E CALCOLIA CARICO DEL CONVERTITORE• memoria limitata

‒ funzioni - numero stati‒ controlli - sicurezze‒ record valori e posizioni

• due soli ingressi analogici• amplificatore esterno per cella di

carico

I CONTROLLI POSSONO FUNZIONARE E NON ORIGINANO INSTABILITÀ

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SECONDA VERSIONE

CAN bus

Motore

CONVERTITORE

SCOPO: ripensare il layout del controllo per ottenere maggiori prestazioni e una interfaccia più “user friendly”.

LOGICA E CALCOLISVOLTI DAL PC• memoria “illimitata”

‒ sdoppiamento controlli – sicurezze‒ record valori e posizioni

• ingressi analogici espandibili (NI-DAQ)• convertitore sfruttato per le caratteristiche

avanzate di motion control (tabella PVT)• ottimizzazione comunicazione bus CAN

INTERFACCIA UTENTE MIGLIORATAMIGLIORATI CONTROLLI CON FEEDBACK

DI FORZAAGGIUNTO CONTROLLO EMG

SISTEMA MECCATRONICO PER LA RIABILITAZIONE DELL’ARTO SUPERIORE

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PUBBLICAZIONI, CONVEGNI, CORSI

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PUBBLICAZIONI•“Development of a F.E.S. assisted stepper for lower limb rehabilitation”, in XI° Congress of

the European Federation for Research in Rehabilitation Proc., Riva del Garda, May 2011.•“Control strategies for a mechatronic device for elbow rehabilitation”, in XI° Congress of

the European Federation for Research in Rehabilitation Proc., Riva del Garda, May 2011.•“Multi-parameters wireless shirt for physiological monitoring”, in VI° IEEE International

Symposium on Medical Measurements and Application Proc., Bari, May 2011•“Measurements of exerted forces during handcycling. preliminary results” in XXIII°

Congress of the International Society of Biomechanics Proc., Brussels, B, July 2011•“Exerted forces during handcycling. Experimental results” accepted in XX° AIMETA

Congress, Bologna, September 2011.

CONVEGNI - CORSI•“Sicurezza dei dispositivi medici: efficacia delle norme vigenti e nuove tecnologie”,

Milano, Dicembre 2010.•XX° Congresso AIMETA, Bologna, Settembre 2011

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