CdSINGEGNERIA BIOMEDICA
Codice256II
CFU6
PeriodoPrimo semestre
LinguaItaliano
| Moduli | Settore/i | Tipo | Ore | Docente/i | |
| MECCANICA APPLICATA AL SISTEMA MUSCOLO SCHELETRICO | ING-IND/13 | LEZIONI | 60 |
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Il corso si prefigge di introdurre gli aspetti della biomeccanica a fondamento dell'analisi del movimento e utilizzati in generale in analisi muscolo-scheletriche per valutazioni ortopediche, neuromotorie, riabilitative etc.
Il corso ha una parte teorica principalmente concentrata sugli aspetti della meccanica nello spazio, combinata con elementi di anatomia e fisiologia muscolare. In parallelo ai contenuti teorici vengono svolte alcune esercitazioni in aula, principalmente al computer in Matlab e in OpenSim, per consolidare i concetti trasmessi e formare gli studenti all'uso di sw utilizzati a livello internazionale nell’ambito della bioingegneria e della biomeccanica. Obiettivo del corso è trasmettere agli studenti le conoscenze e le competenze per lo sviluppo e l’utilizzo critico e consapevole di modelli muscoloscheletrici per l’analisi di alcuni task motori proposti dalla docente o scelti dallo studente.
Alla fine del corso lo studente conoscerà i metodi per la descrizione della posa di un corpo rigido/sistema di corpi rigidi nello spazio, saprà analizzare qualitativamente e quantitativamente un movimento, riconoscere il ruolo dei muscoli in un movimento e analizzare e analizzare le caratteristiche di un modello muscolo-scheletrico e scegliere i modelli per la descrizione di specifici movimenti. Lo studente saprà analizzare complessivamente la procedura di analisi muscolo-scheletrica partendo dall'acquisizione dei dati sperimentali fino alle simulazioni eseguite in OpenSim. Sarà inoltre in grado di individuare e discutere le limitazioni e i risultati di tali analisi.
The student who successfully completes the course will have advanced skills on the principles of 3D rigid body kinematics. 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.
L'accertamento delle conoscenze è affidato principalmente ad una prova scritta della durata generalmente di 2.30-3 ore, che contiene alcune domande di teoria a risposta aperta e 1-2 esercizi.
Ulteriori elementi di verifica delle conoscenze vengono dalla discussione della prova scritta e dalle esercitazioni che gli studenti devono svolgere e consegnare.
Nella verifica delle conoscenze, lo studente deve dimostrare di aver acquisito le nozioni di base (ad esempio i metodi per descrivere l'orientamento di un corpo nello spazio, equazioni di equilibrio di un corpo e di un sistema, la biomeccanica muscolare, etc.) ed essere in grado di fare esempi e applicazioni dei concetti acquisiti.
Lo studente sarà valutato anche sulla correttezza dei contenuti delle risposte e anche sulla forma e approprietezza di linguaggio utilizzate.
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.
Il corso è temporalmente articolato con 2 ore su 5 alla settimana tenute in aula informatica, in modo che gli studenti abbiano modo di applicare le conoscenze acquisite, implementando modelli ed analisi in Matlab e utilizzando modelli muscoloscheletrici in OpenSim.
Al termine del corso lo studente saprà:
- impostare matematicamente il modello cinematico di un sistema;
- utilizzare il software MATLAB per l’analisi e la descrizione del movimento di sistemi di corpi rigidi e soluzione problemi di problemi di ottimizzazione anche non lineare vincolata;
- utilizzare il software OPENSIM per le analisi muscoloschetriche, dalla cinematica inversa, dinamica inversa, ottimizzazione statica, riduzione residui.
- replicare modelli già presenti in letteratura, comprendendone ipotesi e limitazioni;
- valutare accuratezza e precisione nella analisi muscoloscheletrica
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.
L'accertamento delle capacità acquisite si basa sugli esercizi proposti nella verifica scritta per quanto riguarda le abilità nello sviluppo di modelli cinematici, analisi equilibrio statico di corpi/sistemi.
La verifica dell'utilizzo dei sw è fatta attraverso esercitazioni impostate ed avviate in aula, che lo studente deve completare a casa e consegnare con un report che le descriva, discutendo i risultati ottenuti. Tali esercitazioni possono essere svolte in piccoli gruppi (2-3 persone).
Saranno elementi di valutazione la correttezza formale delle equazioni usate e del codice sviluppato, la completezza del report consegnato, l'approfondimento della discussione dei risultati, la corretteza e l'appropriatezza del linguaggio usato.
- 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
- Lo studente potrà imparare a lavorare in gruppo
- Saranno acquisite capacità di analisi e valutazione critica dei articoli scientifici/modelli predefiniti
- Saranno acquisite capacità di discutere limiti di analisi e simulazioni
- 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.
- La capacità di lavorare in gruppo verrà valutata durante lo svolgimento delle esercitaioni in aula, nei ricevimenti e nella discussione delle esercitazioni presentate
- L'analisi di articoli e modelli predefiniti come la discussione di analisi e simulazioni possono essere inserite nel report o essere oggetto della discussione orale del report presentato
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.
- 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 di anatomia e fisiologia dei muscoli
- competenze base di Matlab
- 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
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 dei lavori virtuali 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.
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.
Il corso consiste in aspetti diversi dall'anatomia alla meccanica per cui la bibliografia sotto riportata è composta da testi diversi, che sono da intendersi come approfondimento al corso, non necessari.
La docente fornisce delle proprie note e indicazioni di materiale accessibile gratuitamente su internet.
Basic Biomechanics of the Musculoskeleal system - Nordin Frankel
Fundamentals of Robotic mechanical systems - Angeles
FIsiologia articolare - Kapandji
Basic Biomechanics of the Musculoskeleal system - Nordin Frankel
Fundamentals of Robotic mechanical systems - Angeles
Physiology of joints - Kapandji
- L'esame è composto da una prova scritta e 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 se lo studente dimostra di aver compreso e saper applicare i concetti basilari del corso.
- 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.
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.
Sono disponibili le pagine elearning e team del corso