ECTS - University of Pisa
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REHABILITATION AND ASSISTIVE TECHNOLOGIES
MARCO CONTROZZI
Academic year2022/23
CourseBIONICS ENGINEERING
Code1105I
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageEnglish

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
BIOMECHANICS OF HUMAN MOTIONING-IND/34LEZIONI60
SARA MOCCIA unimap
CALOGERO MARIA ODDO unimap
ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATIONING-IND/34LEZIONI60
MARCO CONTROZZI unimap
SIMONA CREA unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Modulo di BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION:

L'obiettivo principale del corso è quello di proporre agli studenti gli strumenti per investigatore la meccanica del movimento umano così da permettere loro di comprendere alcuni dei principi fisiologici alla base del controllo motorio. Questo obiettivo sarà perseguito mediante lezioni teoriche accompagnate da esercitazioni numeriche e pratiche.

Modulo di ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION

  • Conoscere i requisiti e le specifiche delle principali macchine per la riabilitazione motoria e ausili per la mobilità.
  • Condurre e discutere una verifica e un progetto di ausili e macchine per la riabilitazione.
  • Saper impostare un progetto di macchina nell'ambito dell'ingegneria della riabilitazione.
  • Sapere eseguirne la verifica a fronte delle più comuni esigenze sia di funzionalità sia di resistenza alla rottura od al deterioramento.
  • Sapere scegliere razionalmente i principali materiali, organi di collegamento e componenti meccanici e sapere proporzionare questi ultimi in base a condizioni operative specificate.
  • Conoscere e saper analizzare alcuni dei principali robot dello stato dell’arte nell’ambito della robotica riabilitativa
  • Conoscere e saper analizzare alcuni dei principali studi clinici condotti su robot riabilitativ
Knowledge

BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION module:

The main objective of this course consists in introducing the biomechanics of the human movement to the students, thus allowing them to understand some of the physiological principles underlying the motor control. These objectives will be achieved by means of both theoretical lessons, numerical exercises, and practical activities in a lab of human.

ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION module

  • To know the requirements and specifications of the major motor rehabilitation equipment and mobility aids.
  • To lead and discuss the design of rehabilitation devices.
  • To know how to set up a design project in the field of rehabilitation engineering.
  • To know how to perform it in the face of the most common requirements of both functionality and breaking resistance.
  • To know how to choose rationally the main materials, connecting elements and mechanical components and to know how to dimension them according to specified operating conditions.
  • To know and critically analyse some of the most relevant rehabilitation robots of the state of the art 
  • To know and critically analyse some of the most relevant clinical studies conducted on rehabilitation robots
Modalità di verifica delle conoscenze

Modulo di BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION:

La verifica delle conoscenze è ottenuta mediante un progetto a cui segue un esame orale.

 

Modulo di ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION

La verifica delle conoscenze è ottenuta mediante un esame orale.
Assessment criteria of knowledge

BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION module:

Knowledge will be assessed via a team project followed by an oral examination. 

 

ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION module

Knowledge will be assessed via an oral examination.

 
Capacità

Modulo di BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION:

Al termine del corso, gli studenti e le studentesse:

  • saranno in grado di descrivere la cinematica 3D del movimento umano;
  • saranno in grado di stimare coppie articolari e reazioni ai giunti durante compiti motori dinamici;
  • conosceranno i meccanismi alla base della contrazione muscolare e saranno in grado di modellizzare il sistema muscolo-tendine;
  • conosceranno i principali metodi numerici per risolvere le equazioni del moto e stimare le variabili di stato del sistema;
  • conosceranno i principali metodi per analizzare il segnale elettromiografico superficiale;
  • conosceranno i principali strumenti utilizzati nei laboratori di analisi del movimento.

odulo di ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION

L'obiettivo del corso è quello di fornire un quadro sintetico del processo di progettazione, dall'analisi delle esigenze fino alla progettazione concettuale, concreta e di dettaglio nell'ambito dell'ingegneria della riabilitazione. Fornire un panorama aggiornato della componentistica meccanica e dei relativi approcci di scelta e dimensionamento. Fornire un quadro completo ed aggiornato circa il comportamento meccanico dei materiali, i fenomeni che ne determinano il deterioramento o la rottura, i principali modelli per l'analisi e per la verifica della resistenza. Fornire una panoramica dello stato dell’arte delle macchine per riabilitazione e dei principali studi clinici condotti. Fare acquisire la capacità di:

  • Passare dalla realtà concreta a schemi idonei per il calcolo di dimensionamento o di verifica di parti strutturali, di collegamenti e di componenti meccanici con particolare attenzione alle macchine per la riabilitazione e ausili;
  • Scegliere i componenti meccanici più comuni in rapporto al tipo di applicazione nell'ambito della bioingegneria;
  • Analizzare un robot per riabilitazione da diversi punti di vista (cinematica, attuazione, controllo); 
  • Analizzare criticamente uno studio clinico.

 
Skills

BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION module:

After this course, students are expected to gain following skills:

  • to describe the 3D kinematics of human motion;
  • to estimate joint moments and reaction forces during dynamic tasks;
  • to understand the physiological principles underlying muscle contraction and to model muscle-tendon actuators;
  • to handle main numerical mathods to solve dynamical equations describing human motions and estimate the main state variables;
  • to know the main numerical methods to process the EMG signals;
  • to know the main instruments used in a human motion lab.

ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION module

The aim of the course is to provide a concise picture of the design process, from needs analysis to conceptual, concrete and detail design in the field of rehabilitation engineering. To provide an up-to-date overview of mechanical components. To provide a complete and updated picture of the mechanical behaviour of materials, the phenomena that cause failure, the main models for the analysis and verification of the part. To acquire the ability to:

  • Moving from concrete to suitable schemes for the dimensioning or verification of structural parts, connections and mechanical components with particular attention to rehabilitation machines and assistive devices;
  • Choose the most common mechanical components in relation to the type of application in the field of bioengineering;
  • Analyze rehabilitation robots from the perspective of kinematics, actuation and control; 
  • Analyze critically clinical studies.
Modalità di verifica delle capacità

Modulo di BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION:

La verifica delle abilità è ottenuta principalmente mediante un progetto e un esame orale.

 

Modulo di ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION

La verifica delle abilità è ottenuta principalmente mediante un esame orale.
Assessment criteria of skills

BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION module:

Skills will be assessed via a team project followed by an oral examination.

 

ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION module

Skills will be assessed via an oral examination.
Comportamenti

Modulo di BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION:

  • Gli studenti e le studentesse saranno in grado di analizzare e modellare criticamente la biomeccanica di un sistema biologico articolato
  • Gli studenti e le studentesse impareranno a gestire la responsabilità di partecipazione ad un team di progetto

Modulo di ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION

  • Accuratezza e precisione nello svolgere attività di definizione e analisi di un problema tecnico
  • Lo studente potrà  acquisire e/o sviluppare sensibilità verso la schematizzazione della realtà in modelli idonei per il calcolo di dimensionamento
  • Lo studente potrà sviluppare la capacità di analizzare criticamente uno studio di validazione clinica di un robot riabilitativo
Behaviors

BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION module:

  • Students will be able to critically analyze and model the biomechanics of an articulated biological system 
  • Students will learn how to manage the responsibility of participating in a project team

 

 ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION module

  • Appropriate accuracy and precision will be gained in defining and analyzing a technical problem
  • The student can acquire and / or develop sensitivity towards modelling of the reality in order to design the device
  • The student will acquire the capability to critically analyze a clinical study for the validation of a rehabilitation robot.
Modalità di verifica dei comportamenti

Modulo di BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION:

  • Durante le sessioni di laboratorio saranno valutati il grado di attenzione e partecipazione attiva alle attività svolte

Modulo di ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION

Al termine del modulo attraverso la prova orale. In caso di impossibilità nell'erogazione in presenza delle lezioni ed esecuzione dell'esame, sempre in presenza, causa COVID-19, le modalità di verifica delle conoscenze eseguita da remoto.
Assessment criteria of behaviors

BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION module:

During the laboratory sessions, the degree of attention and active participation in the activities carried out will be assessed

 

ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION module

At the end of the oral examination. In case of impossibility to perform in person, due to COVID-19, the assessment criteria of behaviors will concern an extended oral exam for at least one hour, performed remotely.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Modulo di BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION:

Principi di Analisi Matematica, Geometria e Algebra, Fisica I (meccanica)

 

Modulo di ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION

Dai corsi di Matematica e Fisica:

Conoscere i metodi matematici fondamentali. Non avere esitazioni circa lo studio delle condizioni di equilibrio sia statico sia dinamico di un punto.  Sapere usare correttamente i sistemi di unità di misura

Da Scienza dei materiali:

Conoscere le proprietà  meccaniche dei comuni materiali metallici da costruzioni.

Da Meccanica e Elementi Costruttivi:

Non avere esitazioni nel risolvere problemi di statica del corpo rigido, anche nello spazio. Saper risolvere semplici problemi di statica e, ove applicabili, di dinamica di sistemi di corpi vincolati. Sapere analizzare correttamente semplici strutture (es.: telaio di travi) o dispositivi meccanici (es.: riduttore ad ingranaggi)
Prerequisites

BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION module:

Mathematics, geometry, algebra, physics (mechanics)

 

ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION module

Mathematics and Physics:

Knowledge of the fundamentals in mathematics. Static and Dynamic equilibrium. Unit of measurement.

Material Science:

Mechanical properties of common materials.

Applied Mechanics:

3D static equilibrium of stiff bodies. Stress/strain relation. Beam theory. Gear trains.
Bibliografia e materiale didattico

Modulo di BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION:

  • Diapositive delle lezioni
  • Biomechanics of Movement, The Science of Sports, Robotics, and Rehabilitation, T. K. Uchida and S. L. Delp, MIT University Press
  • Biomechanics and Motor Control of Human Movement, D. A Winter, Wiley
  • Dynamic Modeling of Musculoskeletal Motion, G. T. Yamaguchi, Kluwer
  • Three-dimensional Analysis of Human Locomotion, P. Allard, A. Cappozzo, A. Lundberg, C. L. Vaughan, Wiley

 

odulo di ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION

 

Dispense e materiale fornito dal docente. Il materiale fornito è necessario per avere un quadro introduttivo alla materia.

  1. Per gli argomenti nella sezione Fondamenti di costruzione di macchine biomediche indispensabile un libro a scelta tra: Juvinall e Marshek Fondamenti della progettazione dei componenti delle macchine Ed. ETS, Pisa, qualsiasi edizione (anche inglese). In alternativa: Shigley, Joseph Edward, et al. Progetto e costruzione di macchine. McGraw-Hill, qualsiasi versione; In alternativa: Antonio De Paulis - Enrico Manfredi, Costruzione di macchine: Criteri di base e applicazioni principali, Ed. Pearson Italia, Milano.
  2. Per gli argomenti nella sezione Progettare per l'uomo e per il dosabile consultare all'occorrenza Cooper Rehabilitation Engineering Applied to mobility and Manipulation.
  3. Per gli argomenti nella sezione Stato dell’arte: dispositivi e studi clinici, consultare all’occorrenza Colombo R., Sanguineti V., Rehabilitation Robotics, technology and application
Bibliography

BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION module:

  • Course slides
  • Biomechanics of Movement, The Science of Sports, Robotics, and Rehabilitation, T. K. Uchida and S. L. Delp, MIT University Press
  • Biomechanics and Motor Control of Human Movement, D. A Winter, Wiley
  • Dynamic Modeling of Musculoskeletal Motion, G. T. Yamaguchi, Kluwer
  • Three-dimensional Analysis of Human Locomotion, P. Allard, A. Cappozzo, A. Lundberg, C. L. Vaughan, Wiley

 

ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION module

 Lecture notes and slides provided by the instructor.

  1. Biomedical devices design fundamentals. Juvinall e Marshek Fondamenti della progettazione dei componenti delle macchine Ed. ETS, Pisa or: Shigley, Joseph Edward, et al. Progetto e costruzione di macchine. McGraw-Hill; or: Antonio De Paulis - Enrico Manfredi, Costruzione di macchine: Criteri di base e applicazioni principali, Ed. Pearson Italia, Milano.
  2. Design for all and for disability. Cooper Rehabilitation Engineering Applied to mobility and Manipulation.
  3. Colombo R., Sanguineti V., Rehabilitation Robotics, technology and application  
Modalità d'esame

Modulo di BIOMECHANICS OF HUMAN MOTION:

L'esame consisterà in un progetto di gruppo (2-4 studenti/studentesse) con discussione individuale sulle tematiche trattate nel corso. I temi dei progetti saranno proposti dal personale docente e gli studenti/le studentesse potranno scegliere liberamente quale tematica affrontare. Durante la discussione del progetto, verranno poste domande teoriche e applicative sugli argomenti del corso. L'esame di ritiene superato se lo studente/la studentessa raggiunge una votazione minima di 18/30.

 

Modulo di ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION

L'esame è composto da una prova orale.

  • La prova orale riguarderà  la padronanza degli argomenti del programma ufficiale del corso ai fini di una loro pratica applicazione in comuni problemi di progettazione nell'ambito dell'ingegneria della riabilitazione. Durante la prova orale potrà  essere richiesto al candidato di risolvere anche problemi/esercizi scritti, davanti al docente. Il colloquio ha una durata di circa 40 min.
  • La prova orale è superata se il candidato risponde correttamente a circa i 2/3 delle domande poste. La valutazione dell'orale viene attribuita secondo i due criteri seguenti: i) correttezza delle risposte e ii) padronanza del linguaggio.
Assessment methods

The exam consists of a team project (2-4 students) with individual discussion on the topics covered in the course. The topics of the projects will be proposed by the teaching staff and students will be able to freely choose which theme to address. During the discussion of the project, theoretical and application questions will be asked on the topics of the course. The exam is considered passed if the student achieves a minimum grade of 18/30.

 

ROBOTIC AND DATA-DRIVEN REHABILITATION module

 The exam consists of an oral test.

  • The oral examination will cover the mastery of the subjects of the official program of the course for their practical application in common design problems in the field of rehabilitation engineering. During the oral examination the student may be asked to solve problems / exercises written in front of the teacher. The interview lasts about 40 minutes.
  • The oral exam is passed if the candidate answers correctly about 2/3 of the questions asked. The evaluation of the oral examination is attributed according to the following two criteria: i) correctness of the answers and ii) mastery of the language.
Updated: 09/09/2022 00:26