versione

XXIV Ciclo di Dottorato
in Meccanica Applicata
curriculum Biomeccanica
SISTEMI E MODELLI PER LA
BIOMECCANICA DEL CORPO UMANO
Dottorando:
Marco Ometto
Tutor:
Giovanni Legnani
Brescia University
Mechanical and Industrial Engineering Department
Italy
Brescia University
Mechanical and Industrial Engineering Department
Italy
CICLOERGOMETRO PER HANDBIKE
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Brescia University
Mechanical and Industrial Engineering Department
Italy
CARATTERISTICHE E FUNZIONALITÀ
Coppia
Potenza
Coppia
Costante
velocità
Potenza
velocità
test incrementale
(Potenza)
tempo
Coppia Iperbolica
Potenza
costante
L’atleta può scegliere la
cadenza di “pedalata” che
preferisce.
velocità
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CICLOERGOMETRO PER HANDBIKE: FIRMWARE
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Italy
NoOp
CAN bus
CONVERTITORE
Const
Power
Poly
Torque
Stop, Emergency
User command
Motore
Brushless
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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Italy
CICLOERGOMETRO: MANOPOLA STRUMENTATA
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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0°
pushing
spinta
Crank angle
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trazione
270°
90°
La trazione prevale sulla
spinta
FT
FT Comp. Tangenziale
FR comp. Radiale
FR
Seppur significativa, la
componente radiale non
produce coppia motrice
180°
pulling
Ftrms
Qi  50%  70% 
1
Ftrms  Frrms
6
Q INDEX
68%
Qi
%
59%
60
52%
60
53%
80
57%
100
110
61%
160
60%
160
66%
160
63%
66%
62%
Q i%
Brescia University
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Italy
64%
60%
58%
56%
54%
52%
50%
0
50
100
150
subject
B.S.
S.M.
C.M.
B.M.
S.L.
C.A.
A.M..
G.G.
Load
[W]
60
60
80
100
110
160
160
160
HR
[bpm]
143
153
123
175
172
194
183
168
Spine
injury
C7
C7
T10
T8
T4
AMPUTEE
T7
T10
200
maximum power
valori alti di Q potrebbero indicare
migliore coordinazione / maggiore
destrezza.
Potenze maggiori presentano indice
Q più elevato: può essere correlato
alla necessità di diminuire gli
“sprechi” di energia
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DIAGRAMMI POLARI DI FORZE APPLICATE E EMG
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Italy
Q=63%
0°
Spinta
[N]
0°
Trazione
270°
90°
270°
90°
atleta esperto, 60
anni, lesione T10
180°
FT forza tangenziale positiva
FR forza radiale positiva
180°
Blu -> Muscolo Tricipite
Arancio -> Muscolo Bicipite
FR forza radiale negativa
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SISTEMI AUTOMATICI PER LA RIABILITAZIONE
SISTEMA
MECCATRONICO PER LA
RIABILITAZIONE
DELL’ARTO SUPERIORE
STEPPER
ASSISTITO DA FES
REWALK
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SISTEMA MECCATRONICO PER LA RIABILITAZIONE
DELL’ARTO SUPERIORE
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PRIMA VERSIONE (BANCO PROVA)
SCOPO: verificare la fattibilità dei controlli
• piramidale
• con cella di carico
• in autoapprendimento
CAN bus
CONVERTITORE
Motore
LOGICA E CALCOLI
A 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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SISTEMA MECCATRONICO PER LA RIABILITAZIONE
DELL’ARTO SUPERIORE
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SECONDA VERSIONE
SCOPO: ripensare il layout del controllo per
ottenere maggiori prestazioni e una
interfaccia più “user friendly”.
CAN bus
CONVERTITORE
Motore
LOGICA E CALCOLI
SVOLTI 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 MIGLIORATA
MIGLIORATI CONTROLLI CON FEEDBACK
DI FORZA
AGGIUNTO CONTROLLO EMG
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Italy
PUBBLICAZIONI, CONVEGNI, CORSI
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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GRAZIE
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