ECTS - University of Pisa
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Mechanics of the Musculo-Skeletal System
FRANCESCA DI PUCCIO
Academic year2020/21
CourseBIOMEDICAL ENGINEERING
Code256II
Credits6
PeriodSemester 1
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
MECCANICA APPLICATA AL SISTEMA MUSCOLO SCHELETRICOING-IND/13LEZIONI60
FRANCESCA DI PUCCIO unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Lo studente che completa con successo il corso avrà competenze avanzate sui principi della cinematica 3D del corpo rigido, basate su un approccio robotico. Egli/Ella sarà inoltre in grado di implementare tali simulazioni in un programma come Matlab. Queste abilità saranno focalizzate sulla simulazione del movimento umano ma possono essere ugualmente impiegate per lo studio dei sistemi meccanici.

Lo studente avrà inoltre acquisito competenze sulla soluzione dei problemi di statica e dinamica del sistema muscolo-scheletrico (MSK), partendo dall'acquisizione dei dati sperimentali fino alle simulazioni eseguite in OpenSim. Sarà inoltre in grado di discutere le limitazioni ed i risultati di tali analisi. 
Knowledge

The student who successfully completes the course will have advanced skills on the principles of 3D rigid body kinematics based on a robotics approach. He/she will be able to implement such simulations in a computer program such as Matlab. These skills will be focused on the simulation of human motion but can be equally spent on the study of mechanical systems. 

The student will also have acquired knowledge about static and dynamic analyses of the musculoskeletal (MSK) system, starting from the acquisition of experimental data to simulations performed in OpenSim. He/she will be able to discuss limitations and results of such analyses.

 
Modalità di verifica delle conoscenze


Nella prova scritta (2.30-3 ore, 3 domande a risposta libera + 1 esercizio),
lo studente deve dimostrare di conoscere il materiale del corso e di essere in grado di
sviluppare un modello per la simulazione del movimento umano, stimare i gradi di libertà, corpi rigidi
e la tipologia di giunti coinvolti.
Lo studente sarà valutato anche sulla sua capacità di discutere i contenuti principali del
corso utilizzando la terminologia appropriata sia nella prova scritta che discussione orale.

Lo studente dovrà inoltre consegnare delle esercitazioni in Matlab ed Opensim mettendo al 'pulito'  quanto fatto in aula. In alternativa possono svolgere un progettino concordato con la docente.
Assessment criteria of knowledge

In the written exam (2.30-3 hours, 3 questions + 1 exercise), the student must demonstrate his/her knowledge of the course material and to be able to develope a model for human motion simulation, defining link, joints and degrees of freedom.

The student will be assessed also on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology both in the written exam and in the report.

The student will be required to deliver/upload simulation files of the Matlab/Opensim activity carried out during the exercise lessons. Alternatively, students can discuss an original project previuosly defined with the teacher.

 
Capacità

Al termine del corso:

  • lo studente saprà utilizzare il software MATLAB per la descrizione del movimento di sistemi di corpi rigidi e soluzione problemi di problemi di ottimizzazione anche non lineare vincolata.
  • lo studente saprà utilizzare il software OPENSIM per le analisi muscoloschetriche, dalla cinematica inversa, dinamica inversa, ottimizzazione statica, riduzione residui. 
  • lo studente sarà in grado di impostare la modellazione cinematica dei sistemi.
Skills

At the end of the course the student will be able to:

  • use the MATLAB software for the description of the movement of systems of rigid bodies and problem solving of even non linear constrained optimization problems.
  • the OPENSIM software for musculoskeletal analyzes, with inverse kinematics, inverse dynamics, static optimization, residual reduction.
  • set up the kinematic modeling of systems.
Modalità di verifica delle capacità
  • Durante le sessioni di laboratorio informatico saranno svolte delle esercitazioni per fissare i concetti di modellazione dei sistemi e comprendere l'utilizzo del software Opensim
  • Lo studente dovrà preparare e presentare le esercitazioni svolte accompagnate da una relazione scritta che le descriva commenta i risultati
Assessment criteria of skills
  • During the computer lab sessions, exercises will be carried out to define the systems modeling concepts and understand the use of Opensim software.
  • The student must prepare and present the exercises carried out accompanied by a written report describing and commenting on the results
Comportamenti
  • Lo studente potrà acquisire e/o sviluppare sensibilità alla schematizzazione dei sistemi in termini cinematici, tipologia di giunti e numero di corpi rigidi. 
  • Saprà replicare modelli già presenti in letteratura, comprendendone ipotesi e limitazioni.
  • Saprà valutare accuratezza e precisione nella analisi muscoloscheletrica
Behaviors
  • The student will be able to acquire and / or develop sensitivity to the schematization of systems in kinematic terms, type of joints and number of rigid bodies.
  • She/He will be able to replicate models already present in the literature, understanding their hypotheses and limitations.
  • She/He will be able to evaluate accuracy and precision in musculoskeletal analysis.
Modalità di verifica dei comportamenti
  • Durante le sessioni di laboratorio saranno impostate delle esercitazioni che lo studente dovrà completare ed approfondire in autonomia discutendone i risultati come limiti e approssimazioni fatte.
Assessment criteria of behaviors

During the laboratory sessions, exercises will be set up that the student will have to complete and deepen independently by discussing the results as limits and approximations made.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
  •  fondamenti di meccanica dei sistemi di corpi rigidi (vincoli e corpi) in particolare cinematica, statica e dinamica per i problemi piani, inclusa la definizione dei relativi schemi di calcolo.
  •  conoscenze di base delal fisiologia dei muscoli
  • competenze base di Matlab
Prerequisites
  • fundamentals of mechanics of systems of rigid bodies (constraints and bodies) in particular kinematics, statics and dynamics for plane problems, including the definition of the relative calculation schemes.
  • basic knowledge of muscle physiology
  • basic skills of Matlab
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Cinematica di posizione di un singolo corpo rigido. Rappresentazioni dell'orientamento del corpo rigido: angoli di Eulero-Cardano, matrici di rotazione, quaternioni, asse-angolo.

Trasformazini omogenee

Elementi di base dell'anatomia del corpo umano.

Cinematica di posizione dei sistemi di corpi rigidi con vincoli. Fondamenti di robotica. Convenzione Denavit-Hartenberg. Schemi cinematici dei arti e corpo umano.

Cinematica differenziale di sistemi robotici.

Principio di lavoro virtuale e relazione tra cinematica e statica. Determinazione delle coppie ai giunti.

Problemi iperstatici e stima delle forze muscolari: procedura e approccio di ottimizzazione. Moment arm e reazione ai giunti.

Fondamenti di dinamica 3D. Approssimazioni di inerzia nella dinamica umana.

Laboratorio di analisi del movimento: attrezzature e metodologie utilizzati.

Modellazione del sistema muscolo-scheletrico in Matlab e Opensim. Procedure di scalatura, cinematica inversa, static optimization, RRA. Discussione di limiti e approssimazioni dei modelli. Incertezze sui dati.

 
Syllabus

Position kinematics of a single rigid body. Representations of the orientation of the rigid body: Euler-Cardan angles, rotation matrices, quaternions, axis-angle.

Basic elements of the anatomy of the human body.

Position kinematics of systems of rigid bodies with constraints. Fundamentals of robotics. Denavit-Hartenberg Convention. Kinematic diagrams of the limbs and human body.

Differential kinematics of robotic systems.

Virtual working principle and relationship between kinematics and statics. Determination of the torques at the joints.

Hyperstatic problems and muscle strength estimation: optimization procedure and approach. Moment arm and joint reaction.

Fundamentals of 3D dynamics. Approximations of inertia in human dynamics.

Movement analysis laboratory: equipment and methodologies used.

Modeling of the musculoskeletal system in Matlab and Opensim. Scaling procedures, inverse kinematics, static optimization, RRA. Discussion of model limits and approximations. Uncertainties about the data.
Bibliografia e materiale didattico

Basic Biomechanics of the Musculoskeleal system - Nordin Frankel

Robotica industriale - Siciliano sciavicco

Fundamentals of Robotic mechanical systems - Angeles

FIsiologia articolare - Kapandji
Bibliography

Basic Biomechanics of the Musculoskeleal system - Nordin Frankel

Fundamentals of Robotic mechanical systems - Angeles

Physiology of joints - Kapandji
Modalità d'esame
  • L'esame è composto da una prova scritta ed una prova orale.
  • La prova scritta consiste in tre o quattro domande sulle varie parti del programma con esercizi o aspetti di teoria da presentare e/o discutere. La prova si svolge in un'aula normale e dura dalle due alle tre ore. 
  • La prova scritta è superata/non superata se lo studente dimostra di aver compreso i concetti più basilari del corso: definizione della posizione del corpo rigido e dei sistemi nello spazio; definizione di modellicnematici elementari.

  • La prova orale consiste in un colloquio tra il candidato e il docente commentando o approfondendo aspetti della prova scritta. Lo studente dovrà inoltre essere in grado di presentare e discutere le esercitazioni assegnate.
Assessment methods

The exam consists of a written test and an oral test.
The written test consists of three or four questions on the various parts of the program with exercises or theory aspects to be presented and / or discussed. The test takes place in a normal classroom and lasts from two to three hours.
The written test is passed / failed if the student demonstrates that he has understood the most basic concepts of the course: definition of the position of the rigid body and of the systems in space; definition of elementary computer models.

The oral test consists of an interview between the candidate and the teacher commenting on or deepening aspects of the written test. The student must also be able to present and discuss the assigned exercises.
Altri riferimenti web

Sono disponibili le pagine elearning e team del corso
Updated: 17/03/2021 22:55