Progetto e sviluppo di un banco prova per articolazioni protesiche attive ad un grado di libertà basato su programmable automation controller e motion capture

L'elaborato descrive il lavoro svolto in cinque mesi presso il Centro Protesi INAIL di Budrio (BO), che ha portato allo sviluppo di un banco prova per testare articolazioni elettromeccaniche. I dispositivi target, in particolare, sono stati due gomiti mioelettrici: il primo di produzione interna INAIL e il secondo prodotto da Selex ES in collaborazione con il Centro Protesi stesso. Per il controllo del movimento e l'acquisizione dei segnali elettrici si è scelto il PAC CompactRIO (National Instruments), mentre per le acquisizioni cinematiche di angolo e velocità angolare si è sfruttata la stereofotogrammetria.

Ottimizzazione di un'unita di controllo per protesi mioelettrica di arto superiore e confronto prestazionale tramite programmable automation controller e motion capture

Con il passare degli anni le tecnologie nel campo delle protesi mioelettriche di arto superiore stanno compiendo sempre più passi in avanti. In questo elaborato di tesi si darà un iniziale introduzione sulla protesica di arto superiore cercando di coprire tutte le possibili tipologie di protesi, prestando particolare attenzione agli arti artificiali mioelettrici. Gli scopi di questo studio sono in prima analisi una miglioria dell'unità di controllo di una protesi comandata da segnali elettromiografici di superficie, tramite l'utilizzo del nuovo IDE della Microchip (MPLAB X). In seconda analisi, invece, si attuerà un confronto prestazionale a livello di consumo in corrente di un prototipo di protesi mioelettrica nata dalla sinergia tra l'azienda "Selex ES" e il "Centro Protesi INAIL di Vigorso di Budrio". Per questo studio ci si è serviti di stereofotogrammetrica per la determinazione delle grandezze meccaniche, mentre tramite un sistema PAC si è riusciti ad ottenere specifiche grandezze elettriche. Lo studio ha portato, a livello di Firmware, l'inserimento del giusto comando di attuazione di un servofreno comandato in corrente e l'introduzione di una particolare modalità a basso consumo che consente un risparmio energetico di circa il 60% rispetto alla vecchia modalità. Discorso diverso per i risultati del confronto prestazionale che non ha portato ai risultati sperati in fase di progetto.

Valutazione cinematica 3D di un test per il ritorno allo sport post-lesione di legamento crociato anteriore: confronto tra sistema optoelettronico e sensori indossabili

I sistemi di analisi del movimento sono in continua espansione e vengono sempre maggiormente utilizzati in ambito sportivo e riabilitativo. In particolare, la valutazione delle lesioni di LCA è, attualmente, affidata a procedure classiche, oltre che a strumenti analitici Gold Standard come il sistema optoelettronico. L’utilizzo dei sensori inerziali per l’analisi del movimento è in notevole aumento e sempre più utilizzato anche negli ambiti descritti. Tuttavia, è da valutare l’accuratezza di tali sistemi nell’esecuzione di gesti complessi ad alta dinamica. L’obiettivo del presente elaborato è stato quello di validare un sistema di sensori inerziali tramite uno optoelettronico, per lo svolgimento di specifici task motori in un’ottica di prevenzione dell’infortunio al LCA. Sono stati valutati 30 soggetti sani, attraverso l’utilizzo sincrono di due tecnologie: il sistema optoelettronico Vicon e il sistema inerziale Xsens. I movimenti svolti dai soggetti rientravano in un protocollo per la prevenzione del LCA, sviluppato presso il centro Isokinetic, il quale comprende 6 task ad elevata dinamica, ricorrenti negli sport maggiori. Si è evinta un’ottima correlazione e basso errore per tutti gli angoli articolari analizzati sul piano sagittale, una buona correlazione sul piano frontale per la maggior parte degli angoli (esclusi caviglia e pelvi), ed una minore riproducibilità sul piano trasverso, in particolare negli angoli di caviglia ginocchio e pelvi. I risultati hanno mostrato una scarsa dipendenza dalla tipologia di task analizzato. La tecnologia inerziale ha dimostrato di essere un’ottima alternativa per l’analisi del movimento in task specifici per la valutazione della biomeccanica di LCA. Le discrepanze evinte possono essere riconducibili ai diversi protocolli cinematici utilizzati ed al posizionamento dei markers. Evoluzioni della tecnologia potrebbero migliorare la precisione di questi sensori offrendo informazioni ancor più dettagliate dove ora ci sono lacune.

B-R1ING MoCap: registrazione e riproduzione dei movimenti umani su avatar 3D in realtà aumentata

Già da qualche anno si è stati introdotti alla possibilità di vivere in un mondo virtuale; basta indossare un paio di visori di realtà aumentata, virtuale e mista che riproducono nell’ambiente circostante oggetti che fisicamente non esistono. Negli ultimi mesi, inoltre, questa possibilità sta diventando sempre più concreta con l’introduzione, da parte dei colossi dell’informatica, del concetto di "Metaverso": un universo parallelo completamente digitale dove sarà possibile svolgere ogni attività sociale. L’obiettivo di questa tesi è quello di contribuire in piccola parte a questo enorme progetto creando una modalità di interazione tra utenti virtuale ma che si basa su comportamenti del tutto reali. A questo proposito il titolo dell’elaborato è: \textit{“B-R1ING MoCap: registrazione e riproduzione dei movimenti umani su avatar 3D in realtà aumentata”}. Lo scopo del progetto è quello di permettere a una persona di registrare un video in cui c’è un soggetto in movimento, salvare i movimenti del soggetto in un pacchetto dati e infine riprodurlo su un \textit{avatar} 3D che viene fatto agire in realtà aumentata. Il tutto farà parte di un’applicazione “social network” che permette l’interazione tra utenti in questo modo. Un utente può quindi registrare i movimenti umani e inviarli ad un altro utente che può riprodurre il messaggio in realtà aumentata tramite il suo smartphone. Viene introdotto così un nuovo tipo di comunicazione digitale indiretta passando dalla comunicazione scritta, ormai salda da decenni nei messaggi, alla comunicazione orale, introdotta da qualche anno tramite i messaggi vocali, alla comunicazione gestuale resa possibile dal lavoro in oggetto. Le fasi principali del progetto sono state due: una in cui, dopo aver individuato la tecnica migliore, è stato effettuato il "motion capture", un’altra in cui il movimento registrato è stato trasformato in animazione per un soggetto 3D che viene visualizzata in realtà aumentata.

Sviluppo e caratterizzazione di algoritmi di segmentazione per l'analisi del cammino in acqua con tecnica markerless

Recenti studi hanno evidenziato come il cammino in ambiente acquatico possa portare a notevoli benefici nell’ambito di un processo riabilitativo: il cammino in acqua è infatti oggi considerato una delle principali terapie per pazienti con disturbi nella deambulazione, oltre ad essere impiegato per migliorare il recupero a seguito di interventi ed infortuni. Una caratterizzazione biomeccanica del cammino umano in acqua permetterebbe tuttavia di giungere a una conoscenza più approfondita degli effetti di quest’attività sul processo riabilitativo, e dunque a una sua prescrizione più mirata come parte delle terapie. Nonostante il crescente interesse, uno dei motivi per cui ancora pochi studi sono stati condotti in questo senso risiede nell’inadeguatezza di molti dei tradizionali sistemi di Motion Capture rispetto all’impiego subacqueo. La nuova branca della Markerless Motion Capture potrebbe invece in questo senso rappresentare una soluzione. In particolare, ci si occuperà in questo lavoro di tesi della tecnica markerless basata sulla ricostruzione del visual hull per retroproiezione delle silhouette. Il processo iniziale che permette di ottenere le silhouette dai video delle acquisizioni è detto segmentazione, la quale è anche una fase particolarmente importante per ottenere una buona accuratezza finale nella ricostruzione della cinematica articolare. Si sono pertanto sviluppati e caratterizzati in questo lavoro di tesi sette algoritmi di segmentazione, nati specificamente nell’ottica dell’analisi del cammino in acqua con tecnica markerless. Si mostrerà inoltre come determinate caratteristiche degli algoritmi influenzino la qualità finale della segmentazione, e sarà infine presentato un ulteriore algoritmo di post-processing per il miglioramento della qualità delle immagini segmentate.

Studio di validità concorrente tra sistema indossabile basato su IMU e stereofotogrammetria usata come gold standard

L’analisi della postura e del movimento umano costituiscono un settore biomedico in forte espansione e di grande interesse dal punto di vista clinico. La valutazione delle caratteristiche della postura e del movimento, nonché delle loro variazioni rispetto ad una situazione di normalità, possono essere di enorme utilità in campo clinico per la diagnosi di particolari patologie, così come per la pianificazione ed il controllo di specifici trattamenti riabilitativi. In particolare è utile una valutazione quantitativa della postura e del movimento che può essere effettuata solo utilizzando metodologie e tecnologie ‘ad hoc’. Negli ultimi anni la diffusione di sensori MEMS e lo sviluppo di algoritmi di sensor fusion hanno portato questi dispositivi ad entrare nel mondo della Motion Capture. Queste piattaforme multi-sensore, comunemente chiamate IMU (Inertial Measurement Unit), possono rappresentare l’elemento base di una rete sensoriale per il monitoraggio del movimento umano.

Il Vestibolo di Piazza d'Oro - Rilievi per la modellazione 3D ed il texturing

Il caso studio del vestibolo ottagonale di Villa Adriana ha dato la possibilità di applicare ad un edificio di notevole valore storico e artistico tecniche di restituzione digitale e di modellazione tridimensionale basate su applicativi di modellazione geometrica, con lo scopo di generarne il modello 3D digitale fotorealistico e polifunzionale. Nel caso specifico del vestibolo, un modello tridimensionale di questo tipo risulta utile a fini documentativi, a sostegno di ipotesi costruttive e come strumento per la valutazione di interventi di restauro. Il percorso intrapreso ha permesso di valutare le criticità nelle tecniche di acquisizione, modellazione e foto-modellazione tridimensionale applicate in ambito archeologico, tecniche usate abitualmente anche in settori quali l’architettura, il design industriale ma anche nel cinema (effetti speciali e film d’animazione) e in ambito videoludico, con obiettivi differenti: nel settore del design e della progettazione industriale il Reverse Modeling viene impiegato per eseguire controlli di qualità e rispetto delle tolleranze sul prodotto finale, mentre in ambito cinematografico e videoludico (in combinazione con altri software) permette la creazione di modelli realistici da inserire all’interno di film o videogiochi, (modelli non solo di oggetti ma anche di persone). La generazione di un modello tridimensionale ottenuto tramite Reverse Modeling è frutto di un processo opposto alla progettazione e può avvenire secondo diverse strategie, ognuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi specifici che la rendono più indicata in alcuni casi piuttosto che in altri. In questo studio sono state analizzate acquisizioni tridimensionali effettuate tramite Laser Scan e tramite applicazioni Structure from Motion/Dense Stereo View.

Data analysis of collapse mechanisms of a 3D printed groin vault in shaking table testing

The aim of this novel experimental study is to investigate the behaviour of a 2m x 2m model of a masonry groin vault, which is built by the assembly of blocks made of a 3D-printed plastic skin filled with mortar. The choice of the groin vault is due to the large presence of this vulnerable roofing system in the historical heritage. Experimental tests on the shaking table are carried out to explore the vault response on two support boundary conditions, involving four lateral confinement modes. The data processing of markers displacement has allowed to examine the collapse mechanisms of the vault, based on the arches deformed shapes. There then follows a numerical evaluation, to provide the orders of magnitude of the displacements associated to the previous mechanisms. Given that these displacements are related to the arches shortening and elongation, the last objective is the definition of a critical elongation between two diagonal bricks and consequently of a diagonal portion. This study aims to continue the previous work and to take another step forward in the research of ground motion effects on masonry structures.

Il ruolo delle tecniche geomatiche nella realizzazione di Digital Twin City: una sperimentazione sulla città di Bologna

L’incessante urbanizzazione e il continuo aumento della popolazione urbana stanno generando nuove sfide per le pubbliche amministrazioni, le quali necessitano soluzioni per la gestione sostenibile di risorse primarie (cibo, acqua, suolo, fonti energetiche) e la corretta pianificazione delle città, allo scopo di salvaguardare le condizioni ambientali, la salute dei cittadini e il progresso economico: in questo complesso panorama si afferma il concetto di Digital Twin City (DTC) o gemello digitale della città, la controparte virtuale di oggetti e processi in ambiente urbano in grado di comunicare con essi e di simularne, replicarne e predirne i possibili scenari. In questo contesto, un elemento essenziale è costituito dal modello geometrico 3D ad alta fedeltà dell'ambiente urbano, e la Geomatica fornisce gli strumenti più idonei alla sua realizzazione. La presente elaborazione si sviluppa in tre parti: nella prima è stata condotta un’analisi della letteratura sui DTC, in cui sono state evidenziate le sue caratteristiche principali come l’architettura, le tecnologie abilitanti, alcune possibili modellazioni, ostacoli, scenari futuri ed esempi di applicazioni reali, giungendo alla conclusione che un accurato modello 3D della città deve essere alla base dei DTC; nella seconda parte è stata illustrata nel dettaglio la teoria delle principali tecniche geomatiche per la realizzazione di modelli 3D ad alta fedeltà, tra cui le tecniche fotogrammetriche di aerotriangolazione e l’algoritmo Structure from Motion (SfM); nella terza e ultima parte è stata condotta una sperimentazione su tre zone campione del comune di Bologna di cui, grazie ad un dataset di fotogrammi nadirali e obliqui ottenuto da un volo fotogrammetrico realizzato nel 2022, sono state ottenute Reality Meshes e ortofoto/DSM. I prodotti della terza zona sono stati confrontati con i medesimi ottenuti da un dataset del 2017. Infine, sono state illustrati alcuni strumenti di misura e di ritocco dei prodotti 3D e 2D.