A biomechanical model of cycling induced by functional electrical stimulation

The development of a computational model of human motion offers a secure and convenient environment to study the biomechanics of movement and its control. The objective of this thesis project is the implementation of a biomechanical model of a paraplegic subject cycling with the support of Functional Electrical Stimulation (FES) with the aim of using it to explore more generally how seat configuration and stimulation pattern affect performance. Mechanical power output and uniformity of cycling are critical aspects of FES pedaling. For these reasons, once the model is built, its functioning is tested and used to evaluate different configurations to define an optimal sit position with respect to the smoothness of the obtained movements. Then, a procedure to optimize the stimulation pattern, based on the main properties of the power output, is implemented. The proposed optimization method allows the generated power to reach a pedal smoothness equal to 45%, greater than the ones obtained with the other performed optimizations. This thesis project represents a first step towards the use of a biomechanical model to improve an experimental set-up for FES cycling and propose new optimization techniques.

Lo sviluppo di un modello computazionale del movimento umano offre un ambiente sicuro e conveniente per studiare la biomeccanica del movimento e il suo controllo. L’obiettivo di questo progetto di tesi è lo sviluppo di un modello biomeccanico di un soggetto paraplegico che pedala con il supporto della stimolazione elettrica funzionale con l'obiettivo di utilizzarlo per esplorare più in generale come la configurazione del sedile e la strategia di stimolazione influenzino le prestazioni. La potenza meccanica e l'uniformità del movimento sono aspetti critici della pedalata FES. Per questi motivi, una volta costruito il modello, il suo funzionamento è testato e utilizzato per valutare diverse configurazioni per definire una posizione di seduta ottimale rispetto alla uniformità del movimento. E’ implementata poi una procedura per ottimizzare il pattern di stimolazione, basata sulle proprietà principali della potenza erogata. Il metodo di ottimizzazione proposto consente alla potenza generata di raggiungere un’uniformità della pedalata pari al 45%, maggiore di quella ottenuta con le altre ottimizzazioni effettuate. Questo progetto di tesi rappresenta un primo passo verso l’utilizzo di un modello biomeccanico per migliorare un set-up sperimentale per la pedalata assistita da FES e proporre nuove tecniche di ottimizzazione.