"Influence of lower-limb joint models on subject-specific musculoskeletal model predictions during gait" ( "modelli muscoloscheletrici personalizzati dell'arto inferiore: Analisi dell'effetto della modellazione dei giunti sulla predizione dei carichi agenti sul sistema scheletrico durante il cammino").

The aim of the present thesis was to investigate the influence of lower-limb joint models on musculoskeletal model predictions during gait. We started our analysis by using a baseline model, i.e., the state-of-the-art lower-limb model (spherical joint at the hip and hinge joints at the knee and ankle) created from MRI of a healthy subject in the Medical Technology Laboratory of the Rizzoli Orthopaedic Institute. We varied the models of knee and ankle joints, including: knee- and ankle joints with mean instantaneous axis of rotation, universal joint at the ankle, scaled-generic-derived planar knee, subject-specific planar knee model, subject-specific planar ankle model, spherical knee, spherical ankle. The joint model combinations corresponding to 10 musculoskeletal models were implemented into a typical inverse dynamics problem, including inverse kinematics, inverse dynamics, static optimization and joint reaction analysis algorithms solved using the OpenSim software to calculate joint angles, joint moments, muscle forces and activations, joint reaction forces during 5 walking trials. The predicted muscle activations were qualitatively compared to experimental EMG, to evaluate the accuracy of model predictions. Planar joint at the knee, universal joint at the ankle and spherical joints at the knee and at the ankle produced appreciable variations in model predictions during gait trials. The planar knee joint model reduced the discrepancy between the predicted activation of the Rectus Femoris and the EMG (with respect to the baseline model), and the reduced peak knee reaction force was considered more accurate. The use of the universal joint, with the introduction of the subtalar joint, worsened the muscle activation agreement with the EMG, and increased ankle and knee reaction forces were predicted. The spherical joints, in particular at the knee, worsened the muscle activation agreement with the EMG. A substantial increase of joint reaction forces at all joints was predicted despite of the good agreement in joint kinematics with those of the baseline model. The introduction of the universal joint had a negative effect on the model predictions. The cause of this discrepancy is likely to be found in the definition of the subtalar joint and thus, in the particular subject’s anthropometry, used to create the model and define the joint pose. We concluded that the implementation of complex joint models do not have marked effects on the joint reaction forces during gait. Computed results were similar in magnitude and in pattern to those reported in literature. Nonetheless, the introduction of planar joint model at the knee had positive effect upon the predictions, while the use of spherical joint at the knee and/or at the ankle is absolutely unadvisable, because it predicted unrealistic joint reaction forces.

Procedimenti di ottimizzazione di sistemi smorzati

La presente tesi riguarda lo studio di procedimenti di ottimizzazione di sistemi smorzati. In particolare, i sistemi studiati sono strutture shear-type soggette ad azioni di tipo sismico impresse alla base. Per effettuare l’ottimizzazione dei sistemi in oggetto si agisce sulle rigidezze di piano e sui coefficienti di smorzamento effettuando una ridistribuzione delle quantità suddette nei piani della struttura. È interessante effettuare l’ottimizzazione di sistemi smorzati nell’ottica della progettazione antisismica, in modo da ridurre la deformata della struttura e, conseguentemente, anche le sollecitazioni che agiscono su di essa. Il lavoro consta di sei capitoli nei quali vengono affrontate tre procedure numerico-analitiche per effettuare l’ottimizzazione di sistemi shear-type. Nel primo capitolo si studia l’ottimizzazione di sistemi shear-type agendo su funzioni di trasferimento opportunamente vincolate. In particolare, le variabili di progetto sono le rigidezze di piano, mentre i coefficienti di smorzamento e le masse di piano risultano quantità note e costanti durante tutto il procedimento di calcolo iterativo; per effettuare il controllo dinamico della struttura si cerca di ottenere una deformata pressoché rettilinea. Tale condizione viene raggiunta ponendo le ampiezze delle funzioni di trasferimento degli spostamenti di interpiano pari all’ampiezza della funzione di trasferimento del primo piano. Al termine della procedura si ottiene una ridistribuzione della rigidezza complessiva nei vari piani della struttura. In particolare, si evince un aumento della rigidezza nei piani più bassi che risultano essere quelli più sollecitati da una azione impressa alla base e, conseguentemente, si assiste ad una progressiva riduzione della variabile di progetto nei piani più alti. L’applicazione numerica di tale procedura viene effettuata nel secondo capitolo mediante l’ausilio di un programma di calcolo in linguaggio Matlab. In particolare, si effettua lo studio di sistemi a tre e a cinque gradi di libertà. La seconda procedura numerico-analitica viene presentata nel terzo capitolo. Essa riguarda l’ottimizzazione di sistemi smorzati agendo simultaneamente sulla rigidezza e sullo smorzamento e consta di due fasi. La prima fase ricerca il progetto ottimale della struttura per uno specifico valore della rigidezza complessiva e dello smorzamento totale, mentre la seconda fase esamina una serie di progetti ottimali in funzione di diversi valori della rigidezza e dello smorzamento totale. Nella prima fase, per ottenere il controllo dinamico della struttura, viene minimizzata la somma degli scarti quadratici medi degli spostamenti di interpiano. Le variabili di progetto, aggiornate dopo ogni iterazione, sono le rigidezze di piano ed i coefficienti di smorzamento. Si pone, inoltre, un vincolo sulla quantità totale di rigidezza e di smorzamento, e i valori delle rigidezze e dei coefficienti di smorzamento di ogni piano non devono superare un limite superiore posto all’inizio della procedura. Anche in questo caso viene effettuata una ridistribuzione delle rigidezze e dei coefficienti di smorzamento nei vari piani della struttura fino ad ottenere la minimizzazione della funzione obiettivo. La prima fase riduce la deformata della struttura minimizzando la somma degli scarti quadrarici medi degli spostamenti di interpiano, ma comporta un aumento dello scarto quadratico medio dell’accelerazione assoluta dell’ultimo piano. Per mantenere quest’ultima quantità entro limiti accettabili, si passa alla seconda fase in cui si effettua una riduzione dell’accelerazione attraverso l’aumento della quantità totale di smorzamento. La procedura di ottimizzazione di sistemi smorzati agendo simultaneamente sulla rigidezza e sullo smorzamento viene applicata numericamente, mediante l’utilizzo di un programma di calcolo in linguaggio Matlab, nel capitolo quattro. La procedura viene applicata a sistemi a due e a cinque gradi di libertà. L’ultima parte della tesi ha come oggetto la generalizzazione della procedura che viene applicata per un sistema dotato di isolatori alla base. Tale parte della tesi è riportata nel quinto capitolo. Per isolamento sismico di un edificio (sistema di controllo passivo) si intende l’inserimento tra la struttura e le sue fondazioni di opportuni dispositivi molto flessibili orizzontalmente, anche se rigidi in direzione verticale. Tali dispositivi consentono di ridurre la trasmissione del moto del suolo alla struttura in elevazione disaccoppiando il moto della sovrastruttura da quello del terreno. L’inserimento degli isolatori consente di ottenere un aumento del periodo proprio di vibrare della struttura per allontanarlo dalla zona dello spettro di risposta con maggiori accelerazioni. La principale peculiarità dell’isolamento alla base è la possibilità di eliminare completamente, o quantomeno ridurre sensibilmente, i danni a tutte le parti strutturali e non strutturali degli edifici. Quest’ultimo aspetto è importantissimo per gli edifici che devono rimanere operativi dopo un violento terremoto, quali ospedali e i centri operativi per la gestione delle emergenze. Nelle strutture isolate si osserva una sostanziale riduzione degli spostamenti di interpiano e delle accelerazioni relative. La procedura di ottimizzazione viene modificata considerando l’introduzione di isolatori alla base di tipo LRB. Essi sono costituiti da strati in elastomero (aventi la funzione di dissipare, disaccoppiare il moto e mantenere spostamenti accettabili) alternati a lamine in acciaio (aventi la funzione di mantenere una buona resistenza allo schiacciamento) che ne rendono trascurabile la deformabilità in direzione verticale. Gli strati in elastomero manifestano una bassa rigidezza nei confronti degli spostamenti orizzontali. La procedura di ottimizzazione viene applicata ad un telaio shear-type ad N gradi di libertà con smorzatori viscosi aggiunti. Con l’introduzione dell’isolatore alla base si passa da un sistema ad N gradi di libertà ad un sistema a N+1 gradi di libertà, in quanto l’isolatore viene modellato alla stregua di un piano della struttura considerando una rigidezza e uno smorzamento equivalente dell’isolatore. Nel caso di sistema sheat-type isolato alla base, poiché l’isolatore agisce sia sugli spostamenti di interpiano, sia sulle accelerazioni trasmesse alla struttura, si considera una nuova funzione obiettivo che minimizza la somma incrementata degli scarti quadratici medi degli spostamenti di interpiano e delle accelerazioni. Le quantità di progetto sono i coefficienti di smorzamento e le rigidezze di piano della sovrastruttura. Al termine della procedura si otterrà una nuova ridistribuzione delle variabili di progetto nei piani della struttura. In tal caso, però, la sovrastruttura risulterà molto meno sollecitata in quanto tutte le deformazioni vengono assorbite dal sistema di isolamento. Infine, viene effettuato un controllo sull’entità dello spostamento alla base dell’isolatore perché potrebbe raggiungere valori troppo elevati. Infatti, la normativa indica come valore limite dello spostamento alla base 25cm; valori più elevati dello spostamento creano dei problemi soprattutto per la realizzazione di adeguati giunti sismici. La procedura di ottimizzazione di sistemi isolati alla base viene applicata numericamente mediante l’utilizzo di un programma di calcolo in linguaggio Matlab nel sesto capitolo. La procedura viene applicata a sistemi a tre e a cinque gradi di libertà. Inoltre si effettua il controllo degli spostamenti alla base sollecitando la struttura con il sisma di El Centro e il sisma di Northridge. I risultati hanno mostrato che la procedura di calcolo è efficace e inoltre gli spostamenti alla base sono contenuti entro il limite posto dalla normativa. Giova rilevare che il sistema di isolamento riduce sensibilmente le grandezze che interessano la sovrastruttura, la quale si comporta come un corpo rigido al di sopra dell’isolatore. In futuro si potrà studiare il comportamento di strutture isolate considerando diverse tipologie di isolatori alla base e non solo dispositivi elastomerici. Si potrà, inoltre, modellare l’isolatore alla base con un modello isteretico bilineare ed effettuare un confronto con i risultati già ottenuti per il modello lineare.

Modelling growth dynamics and toxin production in Ostreopsis cf. ovata

The benthic dinoflagellate O. ovata represents a serious threat for human health and for the ecology of its blooming areas: thanks to its toxicity this microalga has been responsible for several cases of human intoxication and mass mortalities of benthic invertebrates. Although the large number of studies on this dinoflagellate, the mechanisms underpinning O. ovata growth and toxin production are still far to be fully understood. In this work we have enriched the dataset on this species by carrying out a new experiment on an Adriatic O. cf. ovata strain. Data from this experiment (named Beta) and from another comparable experiment previously conducted on the same strain (named Alpha), revealed some interesting aspects of this dinoflagellate: it is able to grow also in a condition of strong intracellular nutrient deficiency (C:P molar ratio > 400; C:N > 25), reaching extremely low values of chlorophyll-a to carbon ratio (0.0004). Was also found a significant inverse relationships (r > -0.7) between cellular toxin to carbon and cellular nutrient to carbon ratios of experiment Alpha. In the light of these result, we hypothesized that in O. cf. ovata nutrient-stress conditions (intended as intracellular nutrient deficiency) can cause: i) an increase in toxin production; ii) a strong decrease in chlorophyll-a synthesis; iii) a lowering of metabolism associated with the formation of a sort of resting stage. We then used a modelling approach to test and critically evaluate these hypotheses in a mechanistic way: newly developed formulation describing toxin production and fate, and ad hoc changes in the already existent formulations describing chlorophyll synthesis, rest respiration, and mortality, have been incorporated in a simplified version of the European Regional Seas Ecosystem Model (ERSEM), together with a new ad hoc parameterization. The adapted model was able to accurately reproduce many of the trends observed in the Alpha experiment, allowing us to support our hypotheses. Instead the simulations of the experiment Beta were not fully satisfying in quantitative terms. We explained this gap with the presumed different physiological behaviors between the algae of the two experiments, due to the different pre-experimental periods of acclimation: the model was not able to reproduce acclimation processes in its simulations of the experiment Beta. Thus we attempt to simulate the acclimation of the algae to nutrient-stress conditions by manual intervention on some parameters of nutrient-stress thresholds, but we received conflicting results. Further studies are required to shed light on this interesting aspect. In this work we also improve the range of applicability of a state of the art marine biogeochemical model (ERSEM) by implementing in it an ecological relevant process such as the production of toxic compounds.

Longitudinal dynamics modeling and handling qualities of a conventional jet aircraft

Un noto centro di ricerca europea ha recentemente modificato un jet convenzionale di classe CS-25 in una piattaforma scientifica. Durante il processo di certificazione delle modifiche, l’impatto delle stesse sulle prestazioni è stato studiato in modo esaustivo. Per lo studio delle qualità di volo, i piloti collaudatori hanno sviluppato una procedura di certificazione ad hoc che consiste in test qualitativi separati della stabilità longitudinale, laterale e direzionale. L’obiettivo della tesi è analizzare i dati di volo, registrati durante i test di collaudo, con l'obiettivo di estrarre informazioni di carattere quantitativo circa la stabilità longitudinale del velivolo modificato. In primo luogo sono state analizzate tre diverse modifiche apportate all’aeromobile e successivamente i risultati sono stati messi a confronto per capirne l’influenza sulle qualità di volo dell’aeromobile. Le derivate aerodinamiche sono state stimate utilizzando la cosiddetta “identificazione dei parametri”, che mira a replicare le variabili registrate durante i test di volo, variando un dato insieme di coefficienti all’interno del modello linearizzato della dinamica dell’aeromobile. L'identificazione del modo di corto periodo ha consentito l'estrazione dei suoi parametri caratteristici, quali il rapporto di smorzamento e la frequenza naturale. La procedura ha consentito inoltre di calcolare il cosiddetto “Control Anticipation Parameter” (CAP), parametro caratterizzante delle qualità di volo di un aeroplano. I risultati ottenuti sono stati messi a confronto con i requisiti prescritti dalla normativa MIL-STD-1797-A, risultando conformi al livello più alto di qualità di volo.

Dynamics of Bora wind over the Adriatic sea: atmospheric water balance and role of air-sea fluxes and orography

The Bora wind is a mesoscale phenomenon which typically affects the Adriatic Sea basin for several days each year, especially during winter. The Bora wind has been studied for its intense outbreak across the Dinaric Alps. The properties of the Bora wind are widely discussed in the literature and scientific papers usually focus on the eastern Adriatic coast where strong turbulence and severe gust intensity are more pronounced. However, the impact of the Bora wind can be significant also over Italy, not only in terms of wind speed instensity. Depending on the synoptic pressure pattern (cyclonic or anticyclonic Bora) and on the season, heavy snowfall, severe storms, storm surges and floods can occur along the Adriatic coast and on the windward flanks of the Apennines. In the present work five Bora cases that occurred in recent years have been selected and their evolution has been simulated with the BOLAM-MOLOCH model set, developed at ISAC-CNR in Bologna. Each case study has been addressed by a control run and by several sensitivity tests, performed with the purpose of better understanding the role played by air-sea latent and sensible heat fluxes. The tests show that the removal of the fluxes induces modifications in the wind approching the coast and a decrease of the total precipitation amount predicted over Italy. In order to assess the role of heat fluxes, further analysis has been carried out: column integrated water vapour fluxes have been computed along the Italian coastline and an atmospheric water balance has been evaluated inside a box volume over the Adriatic Sea. The balance computation shows that, although latent heat flux produces a significant impact on the precipitation field, its contribution to the balance is relatively minor. The most significant and lasting case study, that of February 2012, has been studied in more detail in order to explain the impressive drop in the total precipitation amount simulated in the sensitivity tests with removed heat fluxes with respect to the CNTRL run. In these experiments relative humidity and potential temperature distribution over different cross-sections have been examined. With respect to the CNTRL run a drier and more stable boundary layer, characterised by a more pronounced wind shear at the lower levels, has been observed to establish above the Adriatic Sea. Finally, in order to demonstrate that also the interaction of the Bora flow with the Apennines plays a crucial role, sensitivity tests varying the orography height have been considered. The results of such sensitivity tests indicate that the propagation of the Bora wind over the Adriatic Sea, and in turn its meteorological impact over Italy, is influenced by both the large air-sea heat fluxes and the interaction with the Apennines that decelerate the upstream flow.

Real-time control of an Electrodynamic Shaker

Questa tesi è essenzialmente focalizzata sullo sviluppo di un sistema di controllo in tempo reale per uno Shaker Elettrodinamico usato per riprodurre profili di vibrazione ambientale registrati in contesti reali e di interesse per il recupero di energia. Grazie all'utilizzo di uno shaker elettrodinamico è quindi possibile riprodurre scenari di vibrazione reale in laboratorio e valutare più agevolmente le prestazioni dei trasduttori meccanici. Tuttavia, è richiesto un controllo dello Shaker non solo in termini di stabilità ma anche per garantire l'esatta riproduzione del segnale registrato nel contesto reale. In questa tesi, si è scelto di sviluppare un controllo adattivo nel dominio del tempo per garantire la corretta riproduzione del profilo di accelerazione desiderato. L'algoritmo è stato poi implementato sul sistema di prototipazione rapida dSPACE DS1104 basata su microprocessore PowerPC. La natura adattiva dell'algoritmo proposto permette di identificare cambiamenti nella risposta dinamica del sistema, e di regolare di conseguenza i parametri del controllore. Il controllo del sistema è stato ottenuto anteponendo al sistema un filtro adattivo la cui funzione di trasferimento viene continuamente adattata per rappresentare al meglio la funzione di trasferimento inversa del sistema da controllare. Esperimenti in laboratorio confermano l'efficacia del controllo nella riproduzione di segnali reali e in tipici test di sweep frequenziale.

Hardware-In-The Loop setup and test of an air spring control system

In this work, a Hardware-in-the-loop test bench is designed. The bench is used to test the behaviour of an electronic control unit used in Maserati to control the dynamics of an air spring system. First the mathematical model of the plant has been defined, then the simulation enviroment and the test environment have been set up. The performed tests succesfully highlighted some bugs in the device under test.

Gyrokinetic modelling of plasma transport and investigation on test particle dynamics

Turbulent plasmas inside tokamaks are modeled and studied using guiding center theory, applied to charged test particles, in a Hamiltonian framework. The equations of motion for the guiding center dynamics, under the conditions of a constant and uniform magnetic field and turbulent electrostatic field are derived by averaging over the fast gyroangle, for the first and second order in the guiding center potential, using invertible changes of coordinates such as Lie transforms. The equations of motion are then made dimensionless, exploiting temporal and spatial periodicities of the model chosen for the electrostatic potential. They are implemented numerically in Python. Fast Fourier Transform and its inverse are used. Improvements to the original Python scripts are made, notably the introduction of a power-law curve fitting to account for anomalous diffusion, the possibility to integrate the equations in two steps to save computational time by removing trapped trajectories, and the implementation of multicolored stroboscopic plots to distinguish between trapped and untrapped guiding centers. The post-processing of the results is made in MATLAB. The values and ranges of the parameters chosen for the simulations are selected based on numerous simulations used as feedback tools. In particular, a recurring value for the threshold to detect trapped trajectories is evidenced. Effects of the Larmor radius, the amplitude of the guiding center potential and the intensity of its second order term are studied by analyzing their diffusive regimes, their stroboscopic plots and the shape of guiding center potentials. The main result is the identification of cases anomalous diffusion depending on the values of the parameters (mostly the Larmor radius). The transitions between diffusive regimes are identified. The presence of highways for the super-diffusive trajectories are unveiled. The influence of the charge on these transitions from diffusive to ballistic behaviors is analyzed.

Neural Network Based UAV Fault Tolerant Control with Aerodynamic Disturbance Estimation and Compensation

In this thesis, the problem of controlling a quadrotor UAV is considered. It is done by presenting an original control system, designed as a combination of Neural Networks and Disturbance Observer, using a composite learning approach for a system of the second order, which is a novel methodology in literature. After a brief introduction about the quadrotors, the concepts needed to understand the controller are presented, such as the main notions of advanced control, the basic structure and design of a Neural Network, the modeling of a quadrotor and its dynamics. The full simulator, developed on the MATLAB Simulink environment, used throughout the whole thesis, is also shown. For the guidance and control purposes, a Sliding Mode Controller, used as a reference, it is firstly introduced, and its theory and implementation on the simulator are illustrated. Finally the original controller is introduced, through its novel formulation, and implementation on the model. The effectiveness and robustness of the two controllers are then proven by extensive simulations in all different conditions of external disturbance and faults.

Fractional Order Modeling and Control of a Flexible Satellite

Researchers have engrossed fractional-order modeling because of its ability to capture phenomena that are nearly impossible to describe owing to its long-term memory and inherited properties. Motivated by the research in fractional modeling, a fractional-order prototype for a flexible satellite whose dynamics are governed by fractional differential equations is proposed for the first time. These relations are derived using fractional attitude dynamic description of rigid body simultaneously coupled with the fractional Lagrange equation that governs the vibration of the appendages. Two attitude controls are designed in the presence of the faults and uncertainties of the system. The first is the fractional-order feedback linearization controller, in which the stability of the internal dynamics of the system is proved. The second is the fractional-order sliding mode control, whose asymptotic stability is demonstrated using the quadratic Lyapunov function. Several nonlinear simulations are implemented to analyze the performance of the proposed controllers.

An optimal control tool for trajectory generation of autonomous drones

In the recent years, autonomous aerial vehicles gained large popularity in a variety of applications in the field of automation. To accomplish various and challenging tasks the capability of generating trajectories has assumed a key role. As higher performances are sought, traditional, flatness-based trajectory generation schemes present their limitations. In these approaches the highly nonlinear dynamics of the quadrotor is, indeed, neglected. Therefore, strategies based on optimal control principles turn out to be beneficial, since in the trajectory generation process they allow the control unit to best exploit the actual dynamics, and enable the drone to perform quite aggressive maneuvers. This dissertation is then concerned with the development of an optimal control technique to generate trajectories for autonomous drones. The algorithm adopted to this end is a second-order iterative method working directly in continuous-time, which, under proper initialization, guarantees quadratic convergence to a locally optimal trajectory. At each iteration a quadratic approximation of the cost functional is minimized and a decreasing direction is then obtained as a linear-affine control law, after solving a differential Riccati equation. The algorithm has been implemented and its effectiveness has been tested on the vectored-thrust dynamical model of a quadrotor in a realistic simulative setup.

Feedback control of underactuated cable-driven parallel robots

In this work an Underactuated Cable-Driven Parallel Robot (UACDPR) that operates in the three dimensional Euclidean space is considered. The End-Effector has 6 degrees of freedom and is actuated by 4 cables, therefore from a mechanical point of view the robot is defined underconstrained. However, considering only three controlled pose variables, the degree of redundancy for the control theory can be considered one. The aim of this thesis is to design a feedback controller for a point-to-point motion that satisfies the transient requirements, and is capable of reducing oscillations that derive from the reduced number of constraints. A force control is chosen for the positioning of the End-Effector, and error with respect to the reference is computed through data measure of several sensors (load cells, encoders and inclinometers) such as cable lengths, tension and orientation of the platform. In order to express the relation between pose and cable tension, the inverse model is derived from the kinematic and dynamic model of the parallel robot. The intrinsic non-linear nature of UACDPRs systems introduces an additional level of complexity in the development of the controller, as a result the control law is composed by a partial feedback linearization, and damping injection to reduce orientation instability. The fourth cable allows to satisfy a further tension distribution constraint, ensuring positive tension during all the instants of motion. Then simulations with different initial conditions are presented in order to optimize control parameters, and lastly an experimental validation of the model is carried out, the results are analysed and limits of the presented approach are defined.

Development of a state-variable filter for a motion control application.

In collaboration with G.D. SpA I attended an internship with the purpose of developing a filter for the position control of industrial machines during testing and maintenance operations. The filter elaborates a signal in position provided by an electonic handwheel, in order to enable the application to be controlled with a signal in velocity with arbitrarily dynamics chosen during the design phase. Limiting the dynamics of the filter provide a more stable and less demanding reference trajectory which reduce the vibrations and tracking errors of the motor controlled by it. It also prevents misusages of the handwheel from the technician which could end up in harmful interferences between the mechanical parts moved by the handwheel.