Design and testing of a force platform for the HexaLab simulation system

The work presented in this thesis aims to develop a system to utilize data related to balance analysis to passively move a dynamic platform with six degrees of freedom called "HexaLab". In the field of balance analysis, it is known from literature that there are various parameters and control strategies that are used during upright posture in rest or in motion to maintain the body in equilibrium. Over the years, various types of instrumentation have been developed to evaluate and quantify human balance performance in both static and dynamic conditions. In this thesis, the experimentation focuses on a new method to obtain balance measurements using a dynamic force platform with a monoaxial load cell to extract equilibrium parameters. The ideal is to retrieve this information as a function of the tension measured by the load cell and the eccentricity with which the load is applied to the platform. Aside from that, the major innovation is the ability to passively move the platform, integrating features already present in similar structures, like balance boards, with the ability to read a displacement of the Center of Pressure (CoP) and use it as a control variable for the system's movement. A prototype platform was developed, consisting of two aluminum plates, a lower one serving as the base of the system to which the chosen single-axis load cell is laterally anchored, and an upper one attached to a cylindrical rod along its axis of rotation and a metal pin resting on the load cell. This configuration better distributes the developed moments onto the sensing element. The relationships between the measurements of interest were verified through two calibration operations. Initially, a static calibration was conducted to validate if the load cell could correctly read the bending moments applied by using standard weights on the platform. Subsequently, the linear relationship between the tension measured on the load cell and the applied bending moment was confirmed. This data indicates that there is a relationship between the measured value and the force arm applied, assumed as the displacement of the CoP from its equilibrium position following imbalances of body weight on the platform. A dynamic calibration was then carried out to verify the correct reading by the load cell during structure motion. The developed platform was attached to a mechanical oscillator (Delta Shaker) and excited with oscillations along the Y (medio-lateral) and Z (vertical) axes with different frequency ranges and acceleration amplitudes. The linear relationship between the tension read by the load cell and the imposed acceleration was verified from the obtained results. This allowed for the integration of information from both calibration processes and for the derivation of the final relationship between acceleration, bending moment, and measured tension. In the subsequent phase of results validation, tests with single and bipedal support subjects under different stress conditions verified the accuracy of the measurements made by the new force platform (in terms of CoP displacement) compared to the CoM displacements detected by the "Quadrupede" structure. This configuration allows for platform perturbations similarly to what is done with "HexaLab" but with fewer degrees of freedom. With this instrumentation, the Equilibrium Score and Normalized Body Impedance are calculated as additional indicators of the validity of the new system as a tool for extracting balance measurements. Finally, the new force platform was compared with already standardized instrumentation (Kistler force platform) in terms of the magnitude of identified CoP deviations and the sensitivity and resolution of the two measurement systems. The developed platform prototype shows great potential for use in human balance measurements and, due to the accurate readings of CoP and associated bending moment, it is also well-suited for controlling the "HexaLab" structure in a passive mode. Further developments are recommended to enhance its capabilities and overcome the constraints imposed by the prototype nature of the project.

Il lavoro presentato in questa tesi ha come obiettivo quello di sviluppare un sistema per sfruttare dati relativi all'analisi dell'equilibrio per movimentare in maniera passiva una piattaforma dinamica a sei gradi di libertà denominata "HexaLab". Nell'ambito dell'analisi dell'equilibrio è noto da letteratura che esistono diversi parametri e strategie di controllo che vengono richiamate durante la postura eretta in quiete o in movimento per mantenere il corpo in equilibrio. Di conseguenza, nel corso degli anni sono state sviluppate diverse tipologie di strumentazioni per valutare e quantificare le performance dell'equilibrio umano in condizioni sia statiche che dinamiche. In quest'ultimo caso, soprattutto, la sperimentazione fatta in questa tesi si sofferma su un nuovo metodo per ottenere delle misure di equilibrio tramite una piattaforma di forza dinamica dotata di cella di carico per estrarre dei parametri di equilibrio come funzione della tensione letta dalla cella e dell'eccentricità con cui viene applicato il carico sulla piattaforma. La grande innovazione è legata alla possibilità di movimentare la piattaforma, integrando caratteristiche già presenti in strutture affini come le balance board con la possibilità di leggere uno scostamento del Centro di Pressione (CoP) e sfruttarlo come variabile di controllo del moto del sistema. Innanzitutto, è stato sviluppato un prototipo di piattaforma costituita da due lastre di alluminio, una inferiore che costituisce la base del sistema a cui è ancorata lateralmente la cella di carico monoassiale scelta, e una superiore che è vincolata a una barra cilindrica lungo il suo asse di rotazione e a un pin metallico che si appoggia sulla cella. Poi si è provveduto a verificare quali sono le relazioni tra le misure d'interesse tramite due operazioni di taratura. Inizialmente, si è effettuata una taratura statica per validare se la cella di carico è in grado di leggere correttamente i momenti flettenti applicati grazie a dei pesi campione sulla piattaforma. In seguito, si è verificata la relazione lineare tra tensione letta sulla cella di carico e momento flettente applicato. Questo dato rappresenta che esiste una relazione tra il valore letto e il braccio della forza applicato, inteso come scostamento del CoP rispetto alla sua posizione di equilibrio a seguito di sbilanciamenti del peso corporeo sulla piattaforma. A seguire è stata effettuata una taratura di tipo dinamico con lo scopo di verificare la corretta lettura da parte della cella anche durante la movimentazione della struttura. Per questo motivo la piattaforma sviluppata è stata ancorata a un oscillatore meccanico (Delta Shaker) e sollecitata con oscillazioni lungo l'asse Y (medio laterale) e Z (verticale) con diversi range di frequenza e ampiezza di accelerazione. Dai risultati ottenuti si è verificata la relazione lineare tra tensione letta dalla cella e accelerazione imposta, valore che ha poi permesso di unire le informazioni ottenute da entrambi i procedimenti di taratura per ricavare la relazione finale tra accelerazione, momento flettente e tensione letta. Nella successiva fase di validazione dei risultati, grazie ai test con soggetti in appoggio mono e bipodalico e in diverse condizioni di sollecitazione, si sono potute verificare la correttezza delle misurazioni fatte tramite la nuova piattaforma di forza (in termini di spostamento del CoP) rispetto agli spostamenti del CoM rilevati tramite la struttura del "Quadrupede". Esso permette di sollecitare la pedana in maniera similare a quanto si vuole effettuare con l'"HexaLab" ma con minor gradi di libertà. Sempre grazie all'ausilio di questa strumentazione si sono potuti calcolare l'Equilibrium Score e l’Impedenza Corporea Normalizzata come ulteriori indici della validità del nuovo sistema come strumento per estrarre misure di equilibrio. Infine, si è confrontata la nuova piattaforma di forza con strumentazione già standardizzata (piattaforma di forza Kistler) in termini di entità degli scostamenti del CoP individuati e la sensitività e risoluzione dei due sistemi di misura a confronto. Il prototipo di piattaforma sviluppato mostra un grande potenziale per essere utilizzata nelle misurazioni dell’equilibrio umano e, grazie a una lettura accurata del CoP e del momento flettente associato, nel controllo della struttura “Hexalab” in modalità passiva. Ulteriori sviluppi sono raccomandati per potenziare le sue capacità e superare i vincoli dati dalla natura prototipale del progetto.