Methods for Clearance Influence Analysis in Planar and Spatial Mechanisms

This doctoral dissertation presents a new method to asses the influence of clearancein the kinematic pairs on the configuration of planar and spatial mechanisms. The subject has been widely investigated in both past and present scientific literature, and is approached in different ways: a static/kinetostatic way, which looks for the clearance take-up due to the external loads on the mechanism; a probabilistic way, which expresses clearance-due displacements using probability density functions; a dynamic way, which evaluates dynamic effects like the actual forces in the pairs caused by impacts, or the consequent vibrations. This dissertation presents a new method to approach the problem of clearance. The problem is studied from a purely kinematic perspective. With reference to a given mechanism configuration, the pose (position and orientation) error of the mechanism link of interest is expressed as a vector function of the degrees of freedom introduced in each pair by clearance: the presence of clearance in a kinematic pair, in facts, causes the actual pair to have more degrees of freedom than the theoretical clearance-free one. The clearance-due degrees of freedom are bounded by the pair geometry. A proper modelling of clearance-affected pairs allows expressing such bounding through analytical functions. It is then possible to study the problem as a maximization problem, where a continuous function (the pose error of the link of interest) subject to some constraints (the analytical functions bounding clearance- due degrees of freedom) has to be maximize. Revolute, prismatic, cylindrical, and spherical clearance-affected pairs have been analytically modelled; with reference to mechanisms involving such pairs, the solution to the maximization problem has been obtained in a closed form.

Gait analysis using a single wearable inertial measurement unit

Procedures for quantitative walking analysis include the assessment of body segment movements within defined gait cycles. Recently, methods to track human body motion using inertial measurement units have been suggested. It is not known if these techniques can be readily transferred to clinical measurement situations. This work investigates the aspects necessary for one inertial measurement unit mounted on the lower back to track orientation, and determine spatio-temporal features of gait outside the confines of a conventional gait laboratory. Apparent limitations of different inertial sensors can be overcome by fusing data using methods such as a Kalman filter. The benefits of optimizing such a filter for the type of motion are unknown. 3D accelerations and 3D angular velocities were collected for 18 healthy subjects while treadmill walking. Optimization of Kalman filter parameters improved pitch and roll angle estimates when compared to angles derived using stereophotogrammetry. A Weighted Fourier Linear Combiner method for estimating 3D orientation angles by constructing an analytical representation of angular velocities and allowing drift free integration is also presented. When tested this method provided accurate estimates of 3D orientation when compared to stereophotogrammetry. Methods to determine spatio-temporal features from lower trunk accelerations generally require knowledge of sensor alignment. A method was developed to estimate the instants of initial and final ground contact from accelerations measured by a waist mounted inertial device without rigorous alignment. A continuous wavelet transform method was used to filter and differentiate the signal and derive estimates of initial and final contact times. The technique was tested with data recorded for both healthy and pathologic (hemiplegia and Parkinson’s disease) subjects and validated using an instrumented mat. The results show that a single inertial measurement unit can assist whole body gait assessment however further investigation is required to understand altered gait timing in some pathological subjects.

Caratterizzazione del cammino in soggetti sani e patologici mediante accelerometria

Background: studi in letteratura mostrano come l'accelerometria stia diventando una pratica clinica (e non solo) molto utile sia in ambito diagnostico sia riabilitativo; molti di essi sfruttano i dati provenienti da più sensori inerziali posti su un soggetto e ne ricavano l'andamento accelerometrico dei vari segmenti corporei durante il movimento in esame. Obiettivo: caratterizzare il cammino di soggetti sani ed osservare quello di alcuni casi patologici, parametrizzando l'accelerazione Antero-Posteriore. Gli indici sono: il Range dell'accelerazione, la Simmetria sulle accelerazioni e sugli intervalli di tempo tra un appoggio al suolo ed il successivo, la Simmetria nel dominio delle frequenze. Strumenti e Metodi: 10 volontari clinicamente sani hanno svolto 5 prove a velocità Spontanea, Lenta e Lentissima con il sensore inerziale G-Walk (BTS Milano) all'altezza di L5. I dati, acquisiti mediante il software G-Studio, sono stati elaborati grazie a Matlab. Risultati: è definita una fascia di normalità per ogni velocità. Conclusioni: le differenze tra il cammino sano e quello patologico si manifestano nelle grandezze di Range ed Indice di Simmetria sulle accelerazioni. I due parametri che misurano la simmetria nel dominio dei tempi ed in quello delle frequenze sono invece sostanzialmente simili. Tale distinzione è importante in medicina, perchè permette di definire le cause di deficit motorio, il percorso chirurgico/riabilitativo da effettuare e l'entità del recupero funzionale.

Analisi di sospensioni semi attive per sedili di trattrici agricole

L'obiettivo del presente lavoro è quello di modellare diversi tipi di sospensioni semi attive del sedile di una trattrice agricola ed implementare diverse strategie di controllo di smorzamento e rigidezza al fine di minimizzare la propagazione delle vibrazioni al corpo dell'operatore.

Valutazione della stabilità motoria in soggetti post-stroke tramite misure inerziali

I test clinici e i questionari generalmente non sono in grado di fornire una valutazione predittiva e quantitativa della stabilità motoria. Permettono al clinico di esaminare la forza muscolare del paziente, il grado di spasticità, la funzionalità motoria e l'autonomia nello svolgimento delle normali attività, ma non di capire quanto il soggetto sia stabile. Sono stati esaminati diciotto pazienti con esiti di stroke in fase post acuta ed il 38% ha affermato di essere caduto almeno una volta nell'arco degli ultimi dodici mesi. Adottando una politica di prevenzione delle cadute si potrebbero limitare questi eventi che vanno ad aggravare un quadro clinico già compromesso. Per tale motivo sono attualmente oggetto di studio misure biomeccaniche, eseguite in laboratorio, atte a definire metodi con alta sensibilità e specificità per la valutazione della stabilità del cammino. Nel presente lavoro le misure strumentali sono state ottenute partendo dal segnale di accelerazione del centro di massa corporeo. Servendosi di un'unità inerziale munita di accelerometro triassiale è stato possibile, durante il cammino, ricavare l'andamento delle accelerazioni antero-posteriore, medio-laterale e verticale. Grazie ad un algoritmo, messo a punto nel Laboratorio di Bioingegneria della Facoltà di Cesena dall'Ing. Federico Riva, sono stati estrapolati gli indici strumentali. Il corpo centrale di questa tesi consiste nell'analisi statistica condotta tramite modelli di regressione lineare che mettono in correlazione parametri clinici (acquisiti per mezzo di test e questionari) abitualmente usati in ospedale e indici strumentali.

Energy harvesting da trasduttori piezoelettrici mediante estrazione di carica quasi-sincrona

In questo documento è stata proposta una soluzione per l'estrazione di carica da un trasduttore piezoelettrico mediante un circuito di conversione quasi-sincrono. Il trasduttore piezoelettrico può essere considerato un ottimo dispositivo per convertire l’energia derivante dalle vibrazioni; la soluzione proposta di estrazione di carica in maniera quasi-sincrona permette un processo di energy harvesting con prestazioni nettamente migliori rispetto al caso di conversione sincrona per casi di trasduttori fortemente accoppiati.

Caratterizzazione meccanica di un pannello sandwich per l'interno di un aeromobile

Il presente lavoro di tesi è stato realizzato presso l’azienda M.A.G (Mecaer Aviation Group) s.p.a. nella sede presente a Monteprandone (AP) e descrive uno studio realizzato nell’ambito delle strutture in materiale composito. Lo scopo della tesi è la caratterizzazione meccanica di pannelli sandwich realizzati con strutture in composito non metallico. Nello specifico si vanno a determinare le caratteristiche meccaniche mediante la realizzazione di prove di resistenza su pannelli sandwich di diversa tipologia. I pannelli vengono realizzati per applicazioni secondarie, quali gli interni dell’elicottero dove l’utilizzo del composito ”classico” determina resistenza strutturale eccessiva rispetto alle reali necessità, in quanto il dimensionamento avviene per rigidezza, al fine di resistere alla vibrazioni presenti, invece che per robustezza. Il modo di vibrare del sandwich deve essere al di fuori del range di frequenza delle vibrazioni presenti nella struttura dell’elicottero. Si vuole verificare che il sacrificio di parte delle caratteristiche meccaniche sia contenuto entro certi limiti e sia giustificabile in termini di incremento del comfort acustico in cabina passeggeri.

Riabilitazione e valutazione di pazienti con deficit neurologici mediante l'utilizzo di realtà virtuale, feedback aumentati, sensori inerziali e tecnologie video a basso costo.

La neuroriabilitazione è un processo attraverso cui individui affetti da patologie neurologiche mirano al conseguimento di un recupero completo o alla realizzazione del loro potenziale ottimale benessere fisico, mentale e sociale. Elementi essenziali per una riabilitazione efficace sono: una valutazione clinica da parte di un team multidisciplinare, un programma riabilitativo mirato e la valutazione dei risultati conseguiti mediante misure scientifiche e clinicamente appropriate. Obiettivo principale di questa tesi è stato sviluppare metodi e strumenti quantitativi per il trattamento e la valutazione motoria di pazienti neurologici. I trattamenti riabilitativi convenzionali richiedono a pazienti neurologici l’esecuzione di esercizi ripetitivi, diminuendo la loro motivazione. La realtà virtuale e i feedback sono in grado di coinvolgerli nel trattamento, permettendo ripetibilità e standardizzazione dei protocolli. È stato sviluppato e valutato uno strumento basato su feedback aumentati per il controllo del tronco. Inoltre, la realtà virtuale permette l’individualizzare il trattamento in base alle esigenze del paziente. Un’applicazione virtuale per la riabilitazione del cammino è stata sviluppata e testata durante un training su pazienti di sclerosi multipla, valutandone fattibilità e accettazione e dimostrando l'efficacia del trattamento. La valutazione quantitativa delle capacità motorie dei pazienti viene effettuata utilizzando sistemi di motion capture. Essendo il loro uso nella pratica clinica limitato, una metodologia per valutare l’oscillazione delle braccia in soggetti parkinsoniani basata su sensori inerziali è stata proposta. Questi sono piccoli, accurati e flessibili ma accumulano errori durante lunghe misurazioni. È stato affrontato questo problema e i risultati suggeriscono che, se il sensore è sul piede e le accelerazioni sono integrate iniziando dalla fase di mid stance, l’errore e le sue conseguenze nella determinazione dei parametri spaziali sono contenuti. Infine, è stata presentata una validazione del Kinect per il tracking del cammino in ambiente virtuale. Risultati preliminari consentono di definire il campo di utilizzo del sensore in riabilitazione.

Stima dell'assetto di un UAV

Lo scopo del lavoro è simulare il comportamento di un sistema di misura dell'assetto detto ARS (Attitude Reference System), dove sostanzialmente le misure fornite da giroscopi ed accelerometri, quindi accelerazioni e velocità angolari, vengono elaborate da un filtro osservatore dello stato che permette di ricavare la stima dell'angolo di elevazione Q e dell'angolo di inclinazione f, non misurabili direttamente, e quindi dell'orientamento del sistema rispetto al piano orizzontale.

Fattori eziologici della Sindrome del Tunnel Carpale: una revisione sistematica con meta-analisi degli studi analitici

OBIETTIVO: sintetizzare le evidenze disponibili sulla relazione tra i fattori di rischio (personali e lavorativi) e l’insorgenza della Sindrome del Tunnel Carpale (STC). METODI: è stata condotta una revisione sistematica della letteratura su database elettronici considerando gli studi caso-controllo e di coorte. Abbiamo valutato la qualità del reporting degli studi con la checklist STROBE. Le stime studio-specifiche sono state espresse come OR (IC95%) e combinate con una meta-analisi condotta con un modello a effetti casuali. La presenza di eventuali bias di pubblicazione è stata valutata osservando l’asimmetria del funnel plot e con il test di Egger. RISULTATI: Sono stati selezionati 29 studi di cui 19 inseriti nella meta-analisi: 13 studi caso-controllo e 6 di coorte. La meta-analisi ha mostrato un aumento significativo di casi di STC tra i soggetti obesi sia negli studi caso-controllo [OR 2,4 (1,9-3,1); I(2)=70,7%] che in quelli di coorte [OR 2,0 (1,6-2,7); I(2)=0%]. L'eterogeneità totale era significativa (I(2)=59,6%). Risultati simili si sono ottenuti per i diabetici e soggetti affetti da malattie della tiroide. L’esposizione al fumo non era associata alla STC sia negli studi caso-controllo [OR 0,7 (0,4-1,1); I(2)=83,2%] che di coorte [OR 0,8 (0,6-1,2); I(2)=45,8%]. A causa delle molteplici modalità di valutazione non è stato possibile calcolare una stima combinata delle esposizioni professionali con tecniche meta-analitiche. Dalla revisione, è risultato che STC è associata con: esposizione a vibrazioni, movimenti ripetitivi e posture incongrue di mano-polso. CONCLUSIONI: I risultati della revisione sistematica confermano le evidenze dell'esistenza di un'associazione tra fattori di rischio personali e STC. Nonostante la diversa qualità dei dati sull'esposizione e le differenze degli effetti dei disegni di studio, i nostri risultati indicano elementi di prova sufficienti di un legame tra fattori di rischio professionali e STC. La misurazione dell'esposizione soprattutto per i fattori di rischio professionali, è un obiettivo necessario per studi futuri.

Progetto di un convertitore flyback sincrono per applicazioni di energy harvesting piezoelettrico

In questo elaborato è stata trattata la caratterizzazione tramite simulazioni e prove in laboratorio di un circuito in grado di estrarre e accumulare energia elettrica, la quale viene generata da vibrazioni meccaniche tramite l'uso di dispositivi piezoelettrici. Partendo da una tipologia di circuito già esistente è stata studiata una variante nel sistema di conversione dell'energia, in questo caso il convertitore implementato è un convertitore di tipo flyback. Dopo aver studiato il circuito in dettaglio, è stata realizzata una prima simulazione circuitale mediante software Ltspice. Sono stati quindi analizzati gli andamenti delle tensioni di uscita e di ingresso durante il processo di carica della capacità, applicando in ingresso differenti tensioni. Infine i dati ottenuti sono stati elaborati in un foglio elettronico per poter ricavare l'andamento del rendimento.

Un'applicazione mobile per controllo e monitoraggio della qualità dell'acqua di una piscina

Questo elaborato ha come argomento lo sviluppo di un progetto informatico creato per mettere in comunicazione tra di loro un sistema di gestione e controllo del ricambio di acqua in una piscina e un dispositivo mobile. Per la realizzazione del sistema di controllo è stata utilizzata una scheda Arduino Mega 2560 munita di modulo Ethernet, mentre, per quello che concerne il dispositivo mobile, la scelta è ricaduta su un device dotato di sistema operativo Android. La comunicazione tra questi due attori è mediata attraverso un server scritto in Java che gira nella stessa rete locale in cui è presente la scheda Arduino. Il progetto può essere inserito nell'ambito dell'Internet of Things, dove ogni oggetto è caratterizzato dalla possibilità di connettersi ad Internet e scambiare informazioni con ogni altro oggetto creando una rete. Questo progetto è suddiviso in tre parti: la prima si occupa della definizione di due protocolli di comunicazione tra le varie componenti, uno per lo scambio di messaggi tra client Android e Server Java e un secondo per quello tra scheda Arduino e Server; la seconda parte è incentrata sulla realizzazione del server Java che rende accessibile la scheda da qualsiasi luogo e permette la raccolta dei dati rilevanti provenienti dalla centralina. L’ultima parte infine è quella relativa allo sviluppo di una applicazione per Android che permette di monitorare il tutto e interagire con la centralina stessa.

Stable laser and upgraded vacuum setup for an experiment with ultracold atoms

In questo lavoro ci si propone di descrivere la realizzazione di un sistema laser con cavit´a esterna e di un apparato da ultra-alto-vuoto, che verranno impiegati in un esperimento di miscele di atomi ultrafreddi che utilizza due specie atomiche di bosoni: 87Rb e 41K. Speciale attenzione viene rivolta verso le caratteristiche dello schema utilizzato e sul sistema di controllo in temperatura, che rendono questo sistema laser particolarmente stabile in frequenza e insensibile alle vibrazioni e variazioni di temperatura. Si sono poi analizzate le propriet´a dei materiali impiegati e delle procedure sperimentali adottate per la realizzazione del nuovo apparato da vuoto, al fine di garantire migliori prestazioni rispetto al sistema attualmente in uso.

Acquisizione, ricostruzione ed analisi di dati rotazionali da dispositivo mobile

Abbiamo analizzato il comportamento di dispositivi mobili allo scopo di acquisire, ricostruire ed analizzare dati rotazionali da veicoli in movimento. E' possibile ricostruire solo l'urto iniziale di un incidente tra automobili attraverso segnale GPS e accelerometri interni ai veicoli, non è possibile ricostruire l'intera dinamica dell'incidente poiché si perde la rotazione assunta dai mezzi di trasporto dopo l'urto. Per questo scopo abbiamo studiato il comportamento di un dispositivo mobile capace di percepire movimenti rotatori. Abbiamo creato un'architettura software per ricostruire graficamente ed analizzare le rotazioni di una piattaforma Arduino, ovvero un prototipo dotato di accelerometro e giroscopio. Per studiare le rotazioni è stata applicata la matematica dei quaternioni. Abbiamo trovato algoritmi che ricavano le rotazioni attraverso le velocità angolari fornite dalla piattaforma, ed anche attraverso componenti hardware specializzati in rotazioni. Entrambe le soluzioni riescono ad interpretare correttamente la rotazioni del dispositivo nell'intervallo di tempo in cui si può sviluppare un incidente.