Valutazione comparativa dei modelli per la stima di vertical e leg stiffness durante la corsa

The biomechanical analysis is very important in the sportive prosthesis area. Many models exist to schematise the process of running. The spring-mass model is a good balance between simplicity and accuracy. The leg is modelled with a spring with body mass on it. There is a great deal of mathematical models to calculate the leg stiffness, but not all of them can be applied to a transfemoral amputee sprinter analysed in the athletic track, where it is difficult to use all the instruments in the laboratory. The goals of this study were four. Analysis of different models to estimate leg and vertical stiffness present in literature. Implementation of Matlab code to calculate leg stiffness with kinematic and dynamic of athletes with all the mathematical models and to characterize the sagittal kinematic of the running with data from instruments available on the athletics track. Comparation of outputs to find the best model for the analysis of a trial of a transfemoral amputee sprinter on the athletics track. Resolution of equations to estimate the trajectory of the centre of mass with a mass-spring-damper model and a simplification to get the spring-mass model.

Nel settore delle protesi sportive per persone con amputazione dell’arto inferiore riveste particolare importanza l’analisi biomeccanica. All’interno di questo contesto si usano modelli di varia complessità per schematizzare la corsa. Tra essi il modello massa-molla risulta molto usato, poiché si è dimostrato semplice e sufficientemente accurato. Nel modello massa-molla, la gamba del corridore è schematizzata come una molla, sulla quale grava una massa concentrata pari a quella dell’atleta. In letteratura sono numerosi i modelli matematici che stimano la rigidezza di tale molla (leg stiffness). Non tutti sono però applicabili all’analisi sulla pista di atletica di uno sprinter con amputazione transfemorale, ma necessitano di una strumentazione per l’analisi della corsa più complessa posizionabile solo in un laboratorio. Gli obiettivi di questo lavoro di tesi sono stati quattro. Analisi dei modelli presenti in letteratura che permettono di stimare la leg e la vertical stiffness. Implementazione di un codice Matlab ispirato alla programmazione ad oggetti che, a partire dai di cinematica e di dinamica di un soggetto, stimi la rigidezza della molla con tutti i modelli disponibili in letteratura e calcoli la cinematica sagittale della corsa, in modo coerente con le misure eseguibili sul campo di atletica. A partire da dati cinematico-dinamici disponibili in letteratura, confronto dei modelli implementati, con l’obiettivo di individuare quello in grado di restituire una stima accurata anche con dati raccolti sul campo di atletica per uno sprinter con amputazione transfemorale. Tale applicazione introduce una restrizione sulle misure effettuabili sul campo. Calcolo delle equazioni analitiche per la stima della traiettoria del centro di massa (COM) con un modello massa-molla-smorzatore e successiva semplificazione per giungere al modello massa-molla.