UNIVPM: Guida insegnamenti

[W000486] - DYNAMICAL MODELLING OF MOVEMENTDYNAMICAL MODELLING OF MOVEMENT
MICHEL MESNARD
Lingua di erogazione: INGLESELessons taught in: ENGLISH
Laurea Magistrale - [IM13] BIOMEDICAL ENGINEERING Master Degree (2 years) - [IM13] INGEGNERIA BIOMEDICA
Dipartimento: [040040] Dipartimento Ingegneria dell'InformazioneDepartment: [040040] Dipartimento Ingegneria dell'Informazione
Anno di corsoDegree programme year : 1 - Secondo Semestre
Anno offertaAcademic year: 2018-2019
Anno regolamentoAnno regolamento: 2018-2019
Obbligatorio
Crediti: 9
Ore di lezioneTeaching hours: 72
TipologiaType: B - Caratterizzante
Settore disciplinareAcademic discipline: ING-IND/34 - BIOINGEGNERIA INDUSTRIALE

LINGUA INSEGNAMENTO LANGUAGE

Inglese

English

PREREQUISITI PREREQUISITES

Nessuno

None

MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DEL CORSO DEVELOPMENT OF THE COURSE

Convenzionale
I concetti verranno applicati/sviluppati in studi pratici (seminari) basati su disoositivi medici o sportive e con esempi applicati all’uomo

Conventional
The concepts will be applied/developed in practical studies (seminars) based on sport or medical devices and/or human body examples.

RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI LEARNING OUTCOMES

Conoscenze e comprensione.

Obiettivo del corso è l'analisi della dinamica dei sistemi di corpi rigidi articolati, e il suo utilizzo nell’ambito del movimento umano per la descrizione delle specificità di questi concetti in biomeccanica. In particolare, il focus è sulla stima dei parametri inerziali dei segmenti corporei, e sul calcolo dei momenti articolari utilizzando un approccio di dinamica inversa. Si presenteranno inoltre tecniche di modellazione del sistema muscoloscheletrico.

Capacità di applicare conoscenze e comprensione.

Il corso, obbligatorio per gli studenti magistrali, consentirà agli studenti di imparare come scrivere le
leggi del moto che regolano il movimento di un
sistema multi-corpo (il sistema muscolo-scheletrico)
e come determinare le cause di questo movimento
(azioni meccaniche). Essi saranno in grado di
scegliere e applicare i metodi appropriati per
quantificare i carichi alle articolazioni in situazioni
diverse, dalla determinazione dei parametri inerziali
dei segmenti corporei al calcolo delle coppie
articolari. Gli esempi sono principalmente nel campo
dell'analisi del movimento umano (gesti sportivi, ...).
Gli studenti impareranno a gestire gli errori di misura
e le principali ipotesi da assumere per stabilire le
equazioni di movimento, in modo da essere critici
nell’interpretare i risultati, come ad esempio in un contesto clinico.

Competenze trasversali.

Capacità di sintesi, autonomia e chiarezza di
espressione. Interpretazione di un lavoro scientifico o
di un report scientifico, comunicazione con un interlocutore in lingua Inglese. Lavorare in un
contesto internazionale.

Knowledge and Understanding.

The aim of the course is the analysis of the dynamics of systems consisting in articulated rigid bodies, and its use in human movement describing the specificities of these concepts in biomechanics. In particular, focus is on the inertial body parameters estimations, and on the joint moments using an inverse dynamics approach. Musculoskeletal modeling is also presented.

Capacity to apply Knowledge and Understanding.

By this mandatory course, students learn how to establish the laws of motion linking the movement of a multi-body system (the musculoskeletal system) and the causes of this movement (mechanical actions).
They are able to choose and apply the relevant methods to quantify the joints loads in different situations, from the determination of body segment inertial parameters to the calculation of the joints net moments. The examples are mostly in the domain of human movement analysis (sport and medical gestures, medical devices.).
The students are aware of measurement errors and to the main hypotheses to assume to establish the movement equations, so that they keep a critical mind when they have to interpret results, for example in a clinical context.

Transversal Skills.

Capabilities of synthesis, autonomy and clarity.
Read a document, understand an interlocutor, and speak, in English.
Work in an international context.

PROGRAMMA PROGRAM

1. Dispositivi medici e biomeccanica: Classificazione dispositivi medici - Dalle esigenze al mercato - Primi esempi (Caratterizzazione biomedica e biomeccanica)
2. Dinamica di un punto materiale: concetti di base (massa, quantità di moto, momento angolare) e strumenti matematici necessari (sistemi di riferimento, vettore, momento e coppie) - la prima legge di Newton o legge di inerzia - la seconda legge di Newton o il principio fondamentale della Dinamica - la terza legge di Newton o la legge di azione-reazione - Forze classiche (forza gravitazionale, forza di attrito, molla, forze di smorzamento)
3. Lavoro, energia cinetica, momento cinetico e teoremi correlati: Lavoro e potenza - Energia cinetica e teorema di lavoro-energia - Forze conservative e potenziale energetico - Conservazione dell'energia totale - Teorema del momento angolare
4. Dinamica di un corpo rigido - Obiettivi: Distribuzione di massa - Centro di massa - Energia cinetica associata al movimento di un solido - Quantità cinetiche associate al movimento di un solido - Teoremi di Koenig per l'energia cinetica e il momento angolare – Dinamica di un movimento specifico di un solido intorno ad un punto fisso - Matrice del tensore di inerzia - Applicazione dei teoremi di Koenig per i calcoli cinetici - Derivazione nel tempo dei momenti lineari e angolari - Movimento umano (Valutazione dei parametri inerziali dei segmenti corporei)
5. Dinamica multi-corpo per corpi rigidi - Obiettivi: Principio fondamentale della dinamica - Teorema dell’ energia cinetica - Teorema di conservazione dell'energia - Modellazione di giunti e di articolazioni umane (contributi anatomici e biomeccanici) - Movimento umano (metodo di misurazione delle forze e dinamica inversa per valutare le azioni articolari)
6. Modellazione del sistema muscolo-scheletrico: modelli muscolo-scheletrici - azioni muscolari e articolazioni – articolazioni con dispositivi medici (protesi, ortesi)

1. Medical devices and Biomechanics : Medical devices classification - From needs to market - First examples (Biomedical and biomechanical characterization)
2. Dynamics of a material point : Basic concepts (mass, linear momentum, angular momentum) and necessary mathematical tools (base, frame, vector, moment and wrench) - Newton’s first law or Law of Inertia - Newton’s second law or Fundamental Principle of Dynamics - Newton’s third law or Action-Reaction Law - Classical forces (gravitational force, friction force, spring, damper forces)
3. Work, kinetic energy, kinetic moment and related theorems : Work and Power - Kinetic energy and work-energy theorem - Conservative forces and potential energy - Conservation of total energy - Angular momentum theorem
4. Kinetics of a rigid body - Goals : Mass distribution - Centre of mass - Kinetic energy associated to the movement of a solid - Kinetic quantities associated to the movement of a solid - Koenig’s theorems for the kinetic energy and the angular momentum - Kinetics of the specific movement of a solid around a fixed point - Matrix of the inertia tensor - Application of the Koenig’s theorems for kinetic calculations - Time derivative of the linear and angular momentums - Human movement (Evaluation of inertial body segment parameters)
5. Rigid multi-body dynamics - Goals : Fundamental Principle of Dynamics - Kinetic energy theorem - Energy conservation theorem - Joint and human joint modelling (Anatomical and biomechanical contributions) - Human movement (Forces measurement and inverse dynamics method to evaluate joint actions)
6. Modelling of the musculoskeletal system : Musculo-skeletal models - Muscle and joint actions - Joints equipped with medical devices (Prostheses, orthoses)

MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DELL'ESAME DEVELOPMENT OF THE EXAMINATION

Modalità di valutazione dell'apprendimento.

La valutazione dell’apprendimento dello student consiste di due prove scritte composte ognuna da due o tre esercizi su argomenti trattati nel corso da copletare in 90 minuti.

Criteri di valutazione dell'apprendimento.

Per superare l'esame, lo studente deve dimostrare di aver compreso bene i concetti presentati nel corso e di poter applicare questi concetti in tipiche situazioni concrete.

Criteri di misurazione dell'apprendimento.

Un punteggio compreso tra zero e trenta è assegnato per ogni prova scritta. Il voto complessivo è la media dei punteggi ottenuti nelle due prove, con arrotondamento all'intero superiore per eccesso.

Criteri di attribuzione del voto finale.

Lo studente deve raggiungere almeno la sufficienza, pari a 18/30, nel voto complessivo. Il punteggio più alto è ottenuto dimostrando nei tests una comprensione approfondita del contenuto del corso. La lode è data agli studenti che, dopo aver eseguito tutti i test in modo corretto, hanno dimostrato una particolare brillantezza nell'esposizione e nella preparazione dei test scritti.

Learning Evaluation Methods.

The assessment of student learning consists of two written tests, composed of two or three exercises on topics covered in the course, to be completed in 90 minutes.

Learning Evaluation Criteria.

To successfully pass the examination, the student must demonstrate to have well understood the concepts presented in the course and that he/she is able to apply these concepts in typical concrete situations.

Learning Measurement Criteria.

A score between zero and thirty is assigned for each written test. The overall grade is the average of the scores obtained in the two tests, with rounding to the entire excess.

Final Mark Allocation Criteria.

The student must achieve at least the sufficiency, equal to 18/30, in the overall grade. The highest rating is achieved by demonstrating a thorough understanding of the course content in the tests. Laudem is given to students who, having done all the tests so correctly, have demonstrated a particular brilliance in the exposition and in the preparation of the written tests.

TESTI CONSIGLIATI RECOMMENDED READING

M.Chaichian - Mechanics - An intensive course - Springer (2012)
A.Chapman - Biomechanical analysis of fundamental human movements - Human Kinetics (2008)
L.Cheze - Analyse cinématique du mouvement humain - ISTE Editions (in french)
A.Tozeren - Human body dynamics - Classical mechanics and human movement - Springer (2000)
VM.Zatsiorsky - Kinetics of human motion - Human Kinetics (2002)

E-LEARNING E-LEARNING

https://learn.univpm.it/course/view.php?id=7876

Scheda insegnamento erogato nell’A.A. 2018-2019
Le informazioni contenute nella presente scheda assumono carattere definitivo solo a partire dall'A.A. di effettiva erogazione dell'insegnamento. Academic year 2018-2019

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Syllabus

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