Bioengineering of exercise: biomechanical and metabolic aspects

The field of research of this dissertation concerns the bioengineering of exercise, in particular the relationship between biomechanical and metabolic knowledge. This relationship can allow to evaluate exercise in many different circumstances: optimizing athlete performance, understanding and helping compensation in prosthetic patients and prescribing exercise with high caloric consumption and minimal joint loading to obese subjects. Furthermore, it can have technical application in fitness and rehabilitation machine design, predicting energy consumption and joint loads for the subjects who will use the machine. The aim of this dissertation was to further understand how mechanical work and metabolic energy cost are related during movement using interpretative models. Musculoskeletal models, when including muscle energy expenditure description, can be useful to address this issue, allowing to evaluate human movement in terms of both mechanical and metabolic energy expenditure. A whole body muscle-skeletal model that could describe both biomechanical and metabolic aspects during movement was identified in literature and then was applied and validated using an EMG-driven approach. The advantage of using EMG driven approach was to avoid the use of arbitrary defined optimization functions to solve the indeterminate problem of muscle activations. A sensitivity analysis was conducted in order to know how much changes in model parameters could affect model outputs: the results showed that changing parameters in between physiological ranges did not influence model outputs largely. In order to evaluate its predicting capacity, the musculoskeletal model was applied to experimental data: first the model was applied in a simple exercise (unilateral leg press exercise) and then in a more complete exercise (elliptical exercise). In these studies, energy consumption predicted by the model resulted to be close to energy consumption estimated by indirect calorimetry for different intensity levels at low frequencies of movement. The use of muscle skeletal models for predicting energy consumption resulted to be promising and the use of EMG driven approach permitted to avoid the introduction of optimization functions. Even though many aspects of this approach have still to be investigated and these results are preliminary, the conclusions of this dissertation suggest that musculoskeletal modelling can be a useful tool for addressing issues about efficiency of movement in healthy and pathologic subjects.

Studio, verifica ed ottimizzazione di una macchina automatica opercolatrice

“Perdita di fase tra il gruppo riempimento polvere/cronoidi con LVDT ed il gruppo piattello durante la fase di arresto a causa della mancanza imprevista di corrente elettrica”. La perdita della fase tra differenti gruppi può avvenire per due ragioni: 1) a causa della cedevolezza di alcuni elementi della catena cinematica 2) per problemi relativi al software che comanda gli assi elettronici e che è responsabile del movimento coordinato dei vari gruppi. La prima ipotesi è molto improbabile in macchine come l’ADAPTA, dove non sono presenti elementi cinematici con elevata cedevolezza (come ad esempio delle cinghie) essendo i movimenti guidati da camme scanalate (che, contrariamente, sono molto rigide) e/o da camme elettriche (motori Brushless). Il secondo caso invece avviene ogni volta che viene a mancare la corrente elettrica in maniera accidentale (ad esempio a causa di un black-out). La mancanza di energia elettrica impedisce al computer a bordo macchina di continuare a monitorare e controllare il funzionamento dei vari assi elettronici della macchina, che sono comandati da motori brushless, che quindi continuano per inerzia il loro moto fino a fermarsi. Siccome ogni gruppo ha un’inerzia e una velocità/accelerazione istantanea diversa e variabile in funzione della posizione assunta all’interno del proprio ciclo nel momento della mancanza di corrente elettrica, i tempi di arresto risultano differenti, e questo causa la perdita di fase. I gruppi riempimento polvere/cronoidi e spingitori fondelli presentano interferenza meccanica col gruppo piattello per una certa durata del suo ciclo; in questa fase gli elementi entrano nelle boccole porta fondelli delle slitte mobili del piattello. È l’unico caso in tutta la macchina in cui parti meccaniche di gruppi diversi, vanno a “intersecare” i propri spostamenti. La progettazione di macchine che presentano interferenze di questo genere è generalmente sconsigliabile poiché si potrebbe presentare il rischio di uno scontro nel caso avvenga una perdita di fase tra i gruppi. Si sono cercate diverse soluzioni mirate a evitare un urto, derivato dall’interferenza meccanica, in caso di black-out oppure di ridurre il più possibile i danni che questa casualità può portare alla macchina. Il gruppo piattello è definito master rispetto a tutti gli altri gruppi; ha un’inerzia molto piccola e questo fa si che, in caso di black-out, il suo arresto avvenga praticamente istantaneamente, al contrario di ciò che avviene per tutti gli altri gruppi slave dotati di inerzia maggiore. Siccome l’arresto del piattello è istantaneo, il pericolo per tastatori e punzoni sollevatori di urto può avvenire solamente per compenetrazione: se gli elementi sono già all’interno della boccola, e restando fermo il piattello, l’inerzia del gruppo che fa proseguire il moto per alcuni istanti non farebbe altro che portarli fuori dalla boccola, non provocando alcun danno. Non vi è perciò il pericolo di “taglio” di questi elementi da parte del piattello. Perciò l’unica possibilità è che il black-out avvenga in un istante del ciclo dove gli elementi si stanno muovendo per entrare nelle boccole mentre anche il piattello è in rotazione.

Singularity-Free Fully-Isotropic Translational Parallel Manipulators

Parallel mechanisms show desirable characteristics such as a large payload to robot weight ratio, considerable stiffness, low inertia and high dynamic performances. In particular, parallel manipulators with fewer than six degrees of freedom have recently attracted researchers’ attention, as their employ may prove valuable in those applications in which a higher mobility is uncalled-for. The attention of this dissertation is focused on translational parallel manipulators (TPMs), that is on parallel manipulators whose output link (platform) is provided with a pure translational motion with respect to the frame. The first part deals with the general problem of the topological synthesis and classification of TPMs, that is it identifies the architectures that TPM legs must possess for the platform to be able to freely translate in space without altering its orientation. The second part studies both constraint and direct singularities of TPMs. In particular, special families of fully-isotropic mechanisms are identified. Such manipulators exhibit outstanding properties, as they are free from singularities and show a constant orthogonal Jacobian matrix throughout their workspace. As a consequence, both the direct and the inverse position problems are linear and the kinematic analysis proves straightforward.

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.

Effetti idrodinamici prodotti dal costume tecnico sul nuotatore

L’introduzione dei costumi tecnici nel nuoto ha portato miglioramenti senza precedenti sulla prestazione. I miglioramenti nella velocità di nuoto sono stati attribuiti dalla letteratura a riduzioni nelle resistenze idrodinamiche sul nuotatore. Tuttavia, gli effetti specifici dovuti all’utilizzo di questo tipo di costume non sono ancora completamente chiariti. Questa tesi aveva l’obiettivo di indagare gli effetti del costume tecnico sul galleggiamento statico, sulla posizione del corpo e sulla resistenza idrodinamica in avanzamento passivo. Nello studio preliminare sono stati misurati la spinta idrostatica, i volumi polmonari dinamici e la circonferenza toracica di 9 nuotatori che indossavano un costume tradizionale o un costume tecnico in gomma sintetica. Indossare il costume tecnico ha determinato una riduzione significativa del galleggiamento statico, e la compressione toracica causata da questo tipo di costume potrebbe avere una relazione con la significativa riduzione dei volumi polmonari misurati quando il nuotatore indossa questo tipo di costume. Un successiva analisi prevedeva il traino passivo di 14 nuotatori che mantenevano la miglior posizione idrodinamica di scivolamento indossando un costume tradizionale, tecnico in tessuto e tecnico in gomma. La posizione del corpo in avanzamento è stata misurata con un’analisi cinematica. La resistenza passiva indossando i costumi tecnici è risultata significativamente minore per entrambi i costumi tecnici rispetto alla prova con costume tradizionale. L’analisi condotta attraverso modelli di regressione lineari ha mostrato che una parte della riduzione della resistenza passiva era legata a proprietà intrinseche dei costumi tecnici. Tuttavia, anche l’area di impatto frontale determinata dall’inclinazione del tronco del soggetto in scivolamento e l’inclinazione degli arti inferiori hanno mostrato una marcata influenza sulla resistenza idrodinamica passiva. Pertanto, la riduzione di resistenza idrodinamica durante lo scivolamento passivo effettuato con costume tecnico da nuoto è attribuibile, oltre all’effetto del materiale di composizione del costume, ad una variazione della posizione del corpo del nuotatore.

Color/kinematic duality, double copies and scalar matrix models

In questa tesi presentiamo una descrizione autoconsistente della dualità Colore/Cinematica nelle teorie di gauge e al processo di Double Copy. Particolare attenzione viene data all'approccio alla dualità con il formalismo di cono-luce, in quanto semplifica notevolmente sia il calcolo sia l'interpretazione fisica: vengono indagati i settori duale e self-duale per poi passare al modello di Chalmers e Siegel per l'estensione alla teoria generale. Proponiamo quindi uno Scalar Matrix Model, che può essere un buon modello per generare ampiezze ottenibili da una Double Copy `inversa', e ne studiamo un'eventuale dualità a la Colore/Cinematica. Vengono illustrati alcuni casi particolari di rottura spontanea di simmetria. In appendice riportiamo un notebook di Mathematica per il calcolo di ampiezze tree level di puro gauge, utile per i calcoli necessari allo studio della dualità.

Characterization of fold-related fractures in the carbonate rocks of the Cingoli anticline, northern Apennines, Italy

Thrust fault-related folds in carbonate rocks are characterized by deformation accommodated by different structures, such as joints, faults, pressure solution seams, and deformation bands. Defining the development of fracture systems related to the folding process is significant both for theoretical and practical purposes. Fracture systems are useful constrains in order to understand the kinematical evolution of the fold. Furthermore, understanding the relationships between folding and fracturing provides a noteworthy contribution for reconstructing the geodynamic and the structural evolution of the studied area. Moreover, as fold-related fractures influence fluid flow through rocks, fracture systems are relevant for energy production (geothermal studies, methane and CO2 , storage and hydrocarbon exploration), environmental and social issues (pollutant distribution, aquifer characterization). The PhD project shows results of a study carried out in a multilayer carbonate anticline characterized by different mechanical properties. The aim of this study is to understand the factors which influence the fracture formation and to define their temporal sequence during the folding process. The studied are is located in the Cingoli anticline (Northern Apennines), which is characterized by a pelagic multilayer characterized by sequences with different mechanical stratigraphies. A multi-scale analysis has been made in several outcrops located in different structural positions. This project shows that the conceptual sketches proposed in literature and the strain distribution models outline well the geometrical orientation of most of the set of fractures observed in the Cingoli anticline. On the other hand, the present work suggests the relevance of the mechanical stratigraphy in particular controlling the type of fractures formed (e.g. pressure solution seams, joints or shear fractures) and their subsequent evolution. Through a multi-scale analysis, and on the basis of the temporal relationship between fracture sets and their orientation respect layering, I also suggest a conceptual model for fracture systems formation.

Alcuni problemi di dinamica relativa del punto materiale.

Il documento tratta di alcuni problemi di dinamica relativa. Dopo un'introduzione sulla cinematica vengono analizzati principalmente, in ambito statico e dinamico, il problema della variazione del peso in funzione della latitudine e il problema dei due corpi. Prendendo le origini da quest'ultimo, infine vengono esposte le tre leggi di Keplero

Travi in parete sottile con deformabilità a taglio e distorsione di sezione: formulazione teorica, modellazione numerica e applicazioni

Il presente lavoro di tesi ha riguardato una riformulazione teorica, una modellazione numerica e una serie di applicazioni della Generalized Beam Theory per lo studio dei profili in parete sottile con particolare riguardo ai profili in acciaio formati a freddo. In particolare, in questo lavoro è proposta una riscrittura della cinematica GBT che introduce in una forma originale la deformabilità a taglio della sezione. Tale formulazione consente di conservare il formato della GBT classica e introducendo uno spostamento di warping variabile lungo lo spessore della generica parete della sezione trasversale, garantisce perfetta coerenza tra la componente flessionale e tagliante della trave. E' mostrato, come tale riscrittura consente in maniera agevole di ricondursi alle teorie classiche di trave, anche deformabili a taglio. Inoltre, in tale contesto, è stata messa a punto una procedura di ricostruzione dello sforzo tridimensionale in grado ricostruire la parte reattiva delle componenti di tensioni dovuta al vincolamento interno proprio di un modello a cinematica ridotta. Sulla base di tali strumenti, è stato quindi proposto un approccio progettuale dedicato ai profili in classe 4, definito ESA (Embedded Stability Analysis), in grado di svolgere le verifiche coerentemente con quanto prescritto dalle normative vigenti. Viene infine presentata una procedura numerica per la progettazione di sistemi di copertura formati a freddo. Tale procedura permette di effettuare in pochi semplici passi il progetto dell'arcareccio e dei dettagli costruttivi relativi alla copertura.

Studio della struttura di sollevamento e ribaltamento del cesto di raccolta in tagliaerba a piatto frontale

Lo studio svolto nella tesi approfondisce alcuni aspetti meccanici di una struttura sollevatrice per un cesto raccoglitore istallata su un tagliaerba a piatto frontale, con raccolta dell'erba tagliata nel cesto retrostante, macchina costruita dall'azienda Grillo Spa. Lo studio prevede una analisi cinematica della struttura, con formulazione di un modello più semplice adatto allo studio in questione. A seguire si è effettuato uno studio sulle forze in gioco nella condizione più critica della struttura e una verifica riguardante una specifica sezione di tubo rettangolare scelta dall'azienda per il punto più critico. In seguito si è fatto un approfondimento sulla teoria della lubrificazione e si è verificato l'utilizzo che ne fa l'azienda. Si è terminato lo studio con l'analisi dei cicli lavorativi di una parte dei componenti della struttura.

Studio di fattibilità del gruppo di sterzo di un rasaerba professionale

Studio del gruppo di sterzo di un nuovo trattore rasaerba professionale della Grillo S.p.A., azienda che opera nell'ambito dell'agricoltura e del giardinaggio. Lo studio consta principalmente nella definizione di una geometria di sterzo efficace in grado di garantire alla macchina rasaerba il più piccolo raggio di sterzata possibile, compatibilmente con gli ingombri e le dimensioni della macchina stessa, il cui vantaggio consiste nel permettere la realizzazione di traiettorie strette in prossimità di alberi e nell'intorno di ostacoli che possono essere presenti lungo i percorsi di taglio, caratteristica molto ricercata dai clienti ed indispensabile per ottenere alta guidabilità del veicolo e rasatura uniforme del manto erboso senza la necessità di interventi manuali. Le ruote sterzanti di un veicolo risultano parallele solo in condizioni di traiettorie rettilinee mentre in corrispondenza di traiettorie curve tendono ad assumere angoli diversi, venendo a mancare in questo modo il parallelismo. E' oggetto di questa trattazione determinare i valori degli angoli necessari per ottenere un determinato raggio di curvatura e definire di conseguenza il sistema articolato in grado di far seguire alle ruote l'andamento di questi angoli. L'obiettivo è quindi il miglioramento e l'evoluzione del gruppo di sterzo presente sulle macchine della stessa gamma cercando di realizzare un prodotto meccanicamente più semplice e con un comportamento regolare ed uniforme in funzione del verso di sterzata; l'analisi degli sforzi e le successive verifiche strutturali, anche mediante l'impiego di software FEM dei componenti soggetti a carichi variabili con il variare della sterzata, permetteranno di convalidarne l'integrità e l'effettiva resistenza alle sollecitazioni. I componenti primari dell'assale necessiteranno di essere verificati anche nel caso di carichi dinamici (urti) in situazioni particolarmente gravose tipiche di incidenti e rotture delle macchine Grillo avvenuti in fase di lavoro o nel caso di manovre incaute. La movimentazione del veicolo avverrà per mezzo di quattro motori idraulici due dei quali verranno installati in corrispondenza dei fuselli dell'assale sterzante: ciò comporterà il dimensionamento di tali motori al fine di garantire non solo la percorrenza del mezzo con una determinata velocità ma anche il taglio lungo salite di pendenza discreta, condizioni di lavoro ordinarie di molti utilizzatori.

Analisi clinica ed ex-vivo dei punti isometrici durante tecnica tightrope nella ricostruzione del legamento crociato craniale del cane

La rottura del Legamento Crociato Craniale (LCCr) rappresenta una delle patologie ortopediche di maggiore riscontro clinico nella specie canina. In seguito a rottura del LCCr si presenta un continuo slittamento craniale della tibia il quale esita in un processo osteoartrosico. La risoluzione chirurgica rappresenta la migliore soluzione terapeutica. Le tecniche chirurgiche extra-articolari con sfruttamento dei punti isometrici del ginocchio si presentano come delle procedure molto diffuse e utilizzate. Questa tesi propone di validare l’uso di un nuovo sistema di navigazione computerizzato-assistito per la valutazione cinematica durante la ricostruzione del LCCr nel cane, ma soprattutto di studiare e confrontare il comportamento e l’efficacia dopo ricostruzione TightRope (TR) in due diverse coppie di punti isometrici. Abbiamo effettuato due analisi in parallelo. La prima eseguendo interventi chirurgici con tecnica TR su 18 casi clinici e sfruttando il punto isometrico del femore (F2) e due diversi punti isometrici della tibia (T2 o T3). L’analisi prevedeva dei controlli postoperatori a 1, 3 e 6 mesi. Ad ogni controllo veniva effettuata una visita ortopedica, esami radiografici, un questionario di valutazione clinico e di soddisfazione del proprietario. Mentre nella ricerca Ex-Vivo abbiamo eseguito dei test su 14 preparati anatomici con l’utilizzo di un sistema di navigazione computerizzato per la rilevazione dei dati. L’analisi prevedeva la valutazione dell’articolazione in diversi stadi: LCCr intatto; LCCr rotto; dopo ricostruzione con TR in F2-T2 e tensionato a 22N, 44N e 99N; dopo ricostruzione con TR in F2-T3 e tensionato a 22N, 44N e 99N. Ad ogni stadio si eseguivano cinque test di valutazione, tra cui: Test del Cassetto, Test di compressione tibiale (TCT), Rotazione Interna/Esterna, Flesso/Estensione e Varo/Valgo. Lo scopo di tale studio è quello di confrontare tra loro i punti isometrici del ginocchio e di analizzare l’efficacia della tecnica TR nelle due differenti condizioni di isometria (F2-T2 e F2-T3).

Protocollo semplificato per lo studio cinematico dell'arto superiore: individuazione di indici di normalita nel movimento di "reaching"

L'esigenza di poter usufruire in clinica di uno strumento per l'analisi cinematica dell'arto superiore altamente attendibile che fornisca dati clinicamente validi e facili da interpretare e rapidamente applicabile dal personale medico competente, ha posto le basi per la realizzazione del modello che in questa tesi viene proposto. L'obiettivo è stato definire un metodo di misura per l'analisi delle traiettorie dell'arto superiore basato su un modello di markerizzazione che sia clinicamente attuabile e descriva la catena completa dell'estremità superiore interessata nel gesto di “reaching” indipendentemente dalla patologia.