APRÈN. Portal de la producció docent del professorat de la UPC

Les Lesions de la Medul·la Espinal (LME) afecten milions de persones mundialment, haventhi al voltant de 500 000 nous casos anuals, causant càrregues significatives. Els mètodes de rehabilitació tradicionals sovint no satisfan necessitats individuals i poden ser esgotadors per als fisioterapeutes. Els models predictius que usen dades experimentals ofereixen enfocaments personalitzats, optimitzant els resultats terapèutics i les estratègies dels clínics. Aquesta tesi té com a objectiu desenvolupar un model predictiu per a un pacient amb LMEi, millorant l'eficàcia i eficiència de la recuperació, integrant variables específiques seves. El primer estudi analitzarà les característiques de la marxa d'un pacient amb LMEi fent servir un caminador, abans i després d'una rehabilitació de dos mesos amb Lokomat, per detectar els resultats en mètriques de qualitat de la marxa (paràmetres espaciotemporals, angles de les articulacions maluc-genoll-turmell) i mètriques d'equilibri (angles tronc-pelvis, trajectòria del centre de massa, índex de circuitat). S'utilitzarà OpenSim per visualitzar les dades experimentals i calcular la cinemàtica inversa, mentre que MATLAB calcularà les mètriques. En la segona etapa, es calibraran dos paràmetres múscul-tendó (MT) (Longitud Òptima de les Fibres Musculars o LOFM, i Longitud de la Relaxació del Tendó o LRT) utilitzant la cinemàtica del pacient, les forces de reacció del terra i els senyals EMG de 16 músculs. Un problema de control òptim impulsat per EMG amb seguiment sagital, resolt per l'eina GPOPS-II de MATLAB, avaluarà la consistència i les millores de les solucions. Finalment, es crearan dos models predictius utilitzant els paràmetres calibrats i es compararan amb les dades experimentals per avaluar la seva semblança amb els resultats reals. La primera anàlisi no va mostrar millora en els moviments de les articulacions de maluc, genoll i turmell després de dos mesos de rehabilitació amb Lokomat, amb marxa en crouch i asimetries degudes a la limitació de la dorsiflexió del turmell esquerre no relacionada amb LMEi. Els paràmetres espaciotemporals van millorar significativament, ja que la proporció de la fase de suport i balanceig va millorar del 82% - 18% al 66% - 34%, caminant 2.72 vegades més ràpid i amb un augment del 25% en la longitud de la passa, indicant efectes positius de la rehabilitació. Els canvis en l'ús del caminador van portar a variacions en l'angle del tronc i la trajectòria del centre de massa, amb dades posteriors a la rehabilitació que mostren moviments més saludables del tronc i la pelvis. La calibració dels paràmetres musculars va enfrontar dificultats a causa de la variabilitat i els mínims locals, complicant la interpretació de les diferències entre els casos previs i posteriors a la rehabilitació. Les simulacions predictives de la marxa es van assemblar a les dades experimentals, tot i que les millores funcionals de la marxa dels pacients no es van reflexar degut a la necessitat de més restriccions fisiològiques per al realisme, com rangs típics de LOFM i LRT, i angles d'articulacions abans i després de la rehabilitació típics per a cada cas, per exemple. Per a futurs treballs, es proposa la recopilació de dades de múltiples pacients amb LMEi per obtenir diverses perspectives sobre l'efectivitat de la teràpia Lokomat i millorar la precisió de la calibració muscular. És necessari un estudi més profund de la calibració MT per abordar la dependència de les conjectures inicials i la prevalença de mínims locals, amb l'objectiu d'una solució més globalment convergent. A més, és crucial investigar si els paràmetres calibrats de MT es correlacionen amb millores en els moments articulars. En les simulacions predictives, es recomana evitar imposar paràmetres espaciotemporals, permetent que el problema de control òptim els determini, i realitzar múltiples simulacions per analitzar la consistència i variabilitat de les solucions.

La lesió medul·lar (LM) planteja desafiaments significatius a la mobilitat i qualitat de vida de milions de persones arreu del món. Les simulacions per ordinador són una eina poderosa per definir la planificació de tractaments de rehabilitació personalitzats per a individus amb lesió medul·lar. Tanmateix, els mètodes de simulació existents requereixen una major optimització per millorar la seva precisió i eficiència computacional. Aquesta tesi introdueix un nou marc per desenvolupar models musculoesquelètics personalitzats impulsats per Muscle-Torque Generators (MTG) per millorar la predicció de la marxa sense assistència i amb caminador. Aquesta investigació se centra en desenvolupar i calibrar funcions de MTGs personalitzades per a un model tridimensional utilitzant mesures de dinamometria recollides d'un individu sa. A més, integra aquests models personalitzats en un marc de control òptim per predir patrons de marxa sense assistència, comparant qualitativament el seu rendiment amb dades experimentals i models impulsats per Ideal-Torque models. Addicionalment, aquest treball amplia el marc per predir la marxa assistida amb caminador en pacients virtuals amb LM, incorporant el modelatge del caminador i analitzant resultats en diversos escenaris. Aquest treball reconeix la limitada investigació sobre models 3D impulsats per MTGs i se centra en desenvolupar un marc robust per crear MTGs específics per a cada subjecte. Els resultats de les simulacions es comparen qualitativament amb dades experimentals d'un individu sa per al cas sense assistència i d'un individu amb lesió medul·lar després del tractament de rehabilitació per a l'estudi assistit amb caminador. Aquestes dades serveixen com a valors de referència per contextualitzar els resultats de la simulació en lloc de per a una validació directa. Els resultats suggereixen que la incorporació de Muscle-Torque Generators millora la precisió fisiològica de les simulacions sense reduir significativament l'eficiència computacional en comparació amb els models tradicionals de Ideal-Torque. No obstant això, cal continuar investigant per millorar-ne la precisió, particularment per a pacients amb LM. El treball futur se centrarà en implementar models musculars anatòmicament detallats i calibrats per al tronc inferior, mentre s'utilitzen MTGs personalitzats en el tronc superior en simulacions predictives de la marxa, que seran utilitzades per donar suport a les decisions clíniques. Aquesta tesi estableix les bases per desenvolupar eines de simulació clínicament rellevants que ajudin al disseny de dispositius d'assistència i optimitzin estratègies de rehabilitació per a individus amb LM, contribuint en última instància a millorar la mobilitat i qualitat de vida.

Este trabajo aborda la necesidad de mejorar la infraestructura y eficiencia operativa en el departamento de Public Cloud de Sabadell Digital, mediante el desarrollo e implementación de un Cuadro de Mando. El objetivo principal es obtener una visión integral del estado de las aplicaciones, anticipándose a posibles incidencias y optimizando los procesos y recursos. Métodos: Se llevó a cabo un análisis detallado de las necesidades actuales del departamento, identificando las carencias en la gestión de actividades y servicios. Se propuso la implementación de herramientas avanzadas de colaboración y gestión de tareas, con un enfoque en la automatización y centralización de la información, utilizando ServiceNow como plataforma principal. Resultados: La implementación del Cuadro de Mando ha permitido mejorar la transparencia, eficiencia y calidad del servicio ofrecido. Se han desarrollado dashboards que muestran KPIs relevantes, facilitando la toma de decisiones informadas y la identificación de áreas de mejora. Además, se ha reducido significativamente el tiempo y esfuerzo dedicado a la generación de informes, mejorando la satisfacción del cliente. Conclusiones: La adopción de herramientas de gestión avanzadas ha demostrado ser esencial para abordar los desafíos existentes y proporcionar una experiencia más eficiente y satisfactoria para clientes y usuarios. Aunque la implementación inicial requirió una inversión de tiempo y recursos, los beneficios a largo plazo justifican ampliamente esta decisión, posicionando al departamento de Public Cloud en una posición más sólida y competitiva.

This Final Master Project was done in the Polytechnic University of Catalunya, in the Industrial Superior Technical Engineering School of Barcelona(ETSEIB). To be specific, it was done inside the Researching Group of Biomedical Engineering (CREB), being part of the Biomechanical Engineering (BIOMEC) Lab research group. The Biomechanical Engineering Lab Research Group (BIOMEC) has been diligently working on developing a code centered around torque-driven models. This code's primary purpose is to enable the precise prediction of optimal control scenarios in the context of walking, utilizing models of varying complexity. As we delve into this thesis, it becomes evident that a more intricate model has been devised, which significantly improves the fidelity of motion simulations. This enhancement is achieved through the incorporation of muscle torque generators(MTGs) into the existing framework. The utilization of these muscle torque generators-driven models serves the dual purpose of advancing our comprehension of human movement and optimizing their practical applications. These models achieve this by substantially enhancing the realism and precision of biomechanical simulations, as they accurately replicate the dynamics of muscles operating around specific joints. In this master thesis, a sensitivity analysis on the effects of the MTG parameters on the solutions of the optimal control prediction framework developed at BIOMEC Lab is performed. This thesis, therefore, aims to establish some guidelines that clarify which MTG parameters should be personalized for simulations of musculoskeletal models. Moreover, a healthy gait cycle and a healthy squat movement is captured in order to implement this sensitivity analysis into these two motions (walking and squat) based on the MTG-driven model to understand whether the sensitivity of the optimal control solution to the MTG parameters depends on the activity. Along this thesis report, all the processes involved in the sensitivity analysis are detailed as well as the methodology used within the skeletal model used is described. For each motion, several simulations have been performed increasing and decreasing the MTG parameters value involved in each motion tracking problem. These results were evaluated against nominal data to conclude in which MTG parameters can substantially influence the solution of the tracking problem. The most influential MTG parameter was obtained to be the maximum isometric torque acting in each joint for both motions, whereas tracking the different joint coordinates, the sensitivity analysis presented some difference between the two motions. For the gait tracking problem analysis, underestimating the values of the maximum angular velocity and damping coefficient parameters during model calibration can substantially influence the solution of the tracking problem. While, for the squat motion, the most influential MTG parameter regarding the joint coordinates tracking was the damping coefficient. By the identification of the most influential MTG parameters, this thesis can provide some guidelines to personalize MTG parameters for simulations of musculoskeletal models in order to have better accurate dynamic simulations based on MTG-driven models. The contribution of this sensitivity analysis allows to understand MTG parameters influence in MTG-driven models simulations and gain knowledge in an individual's muscle torque capabilities to be used, in the future, in rehabilitations and sports applications

Muscle torque generators (MTGs) can be used as an alternative of detailed musculoskeletal models in computer simulations of human movement, and have been used by researchers to generate accurate dynamic simulations while mantaining a reasonable degree of biofidelity. The main goal of this thesis is to improve the reliability of two torque-driven models (i.e., at skeletal level) of different complexity when muscle torque generators are added to them in order to perform a concrete motion. For this purpose, we defined two problems based on different optimal control techniques. The first problem predicts the motion of a simple pendulum model and the second one tracks experimental data from a human walking motion in a 2D HAT (head, arms and trunk) model. In both problems, two versions of the models are considered: a torque- driven version and a version in which muscle torque generators are employed. Both torque- driven models are obtained from the OpenSim repository and the implementation of the MTGs has been programmed with M AT LAB. For each problem, different studies were conducted to reach the stated goal. In the predictive problem, several simulations were carried out based on different initial and final conditions. Subsequently, a qualitative evaluation between both models showed that muscle torque gener- ators were slightly advantageous than its torque-driven version when the studied simulation encompassed a shorter range of motion. Conversely, in the tracking problem, a more complex study was performed, based on different optimal control formulations. A final quantitative as- sessment showed that the tracking in torques was adequate and quite similar between models, but when tracking experimental coordinates the torque-driven version provided better results. Despite the fact the tracking with MTGs was correct, a more realistic behaviour than its torque- driven version was expected. This project can be considered a first research work in muscle torque generators modelling in the Biomechanical Engineering Lab (BIOMEC) at UPC. Thus, further studies would need to be conducted in order to obtain a more realiable modelling. Parameters such as the maximum isometric torque or the characteristic musculotendon curves involved in the MTGs could be more in depth investigated to gain better insights.

Desenvolupar un model de contacte peu-terra adequat és important per dur a terme simulacions simulacions al caminar, córrer o saltar. Com més precises són aquestes simulacions, faciliten desenvolupar tractaments clínics o estudiar el moviment que es realitza en fer esport. En aquest projecte es realitza un estudi de diferents models de contacte peu-terra. Es presenta un fons teòric sobre la marxa humana, la modelització del cos humà i l?anàlisi dinàmic del moviment humà. També es presenta una revisió bibliogràfica dels models de contacte peu-terra més utilitzats de la literatura. Utilitzant dades de cinemàtica i dinàmica recollides al Laboratori de Biomecànica de la UPC (a ETSEIB), es realitza una anàlisi dinàmica per obtenir coordenades experimentals, velocitats, acceleracions i moments. Per realitzar-lo, s?utilitza un programari per modelar, simular i analitzar el sistema neuromusculoesquelètic anomenat OpenSim. S'han triat tres models de contacte peu-terra diferents per implementar-los i adaptar-los a Matlab. Amb l'ajut de GPOPS-II, un programari basat en Matlab que resol problemes de control òptim de multifase, es desenvolupa i s'implementa un mètode de calibració òptim basat en control. Cada model es calibra deixant que els valors del paràmetres del model variin fins a trobar una solució òptima, seguint la mateixa metodologia per a tots els models. Dels tres models, la simplificació feta del model proposat per Jackson et. al. [1] presenta millors resultats que els altres. Al final d?aquesta tesi es presenten els resultats finals i es discuteixen. A més, en una secció final, s'exposen les conclusions de la tesi, on futurs treballs són proposats per continuar amb aquest estudi. Al llarg d?aquest treball de fi de grau, s?informen i detallen tots els processos implicats en el desenvolupament dels models i les calibracions òptimes basades en el control, així com la metodologia emprada.

Motion prediction is a field of great interest in sports and rehabilitation because it can help to determine the best way to perform a sport movement, to choose the optimal treatment for a specific patient, or to personalize an assistive device. The main objective of this bachelor's thesis is to develop an optimal control framework to predict human motion. The iomechanical simulation software OpenSim has been used to develop the biomechanical model and perform inverse dynamics analysis, and the direct collocation optimal control software Moco has been used to formulate and solve the optimal control simulations. Once the optimal control framework is developed, it has been used to predict human motions, in this thesis, the squat-to-stand and the walking 2D motion. Their cost functions have been modified to predict the most accurate motion.This project includes a theoretical background, a description of what is human motion, the two target motions, the analysis types and the optimal control techniques for human motion prediction. We explain the models used, the reference data and the framework of OpenSim Moco. For every motion, the biomechanical model and the problem formulation are presented in detail, with their results and discussion. Finally, we exposed the environmental, social and economic impact of the project. Regarding the results of this thesis, the most accurate motion is reached by implementing the state tracking goal. It also has been appreciated that the kinetic energy goal improves convergence but it needs some kinematic constraints for a correct motion execution. Moreover, the control goal complemented with tracking does not bring any extra help but it could be a useful cost term for prediction without or little tracking. Regarding the reality of the motion predictions, the squat-to-stand one has been executed as a real one, whereas the gait has not been real since a contact model was missing and, besides, the model used is not a full-body one

El presente documento consiste en el estudio previo a la motorización de una bicicleta, concretamente una mountain bikemodelo Rockrider 5.2 que habitualmente lleva solidario un carro de dos ruedas con un niño, analizando la relación de fuerzas y velocidades entre el ciclista y la bicicleta antes de la instalación del motor para poder definir las características que debe cumplir el motor escogido.Previo al análisis de fuerzas se ha realizado una breve documentación acerca de la historia de la bicicleta y la aparición de los modelos eléctricos, así como los tipos de motores eléctricos que existen y la legislación vigente acerca de estos.El análisis de las fuerzas presentes en la bicicleta que debe superar el ciclista se ha dividido en dos situaciones, el análisis de las fuerzas teniendo en cuenta únicamente al ciclista y a la bicicleta, y el análisis teniendo en cuenta que el carro de dos ruedas con el niño va solidario a la bicicleta, estudiando las fuerzas tanto en la bicicleta como en el carro. Para ambas situaciones se han definido tres condiciones de movimiento basadas en análisis directo de situaciones reales. Dicho análisis se ha realizado mediante los teoremas vectoriales. Una vez estudiadas las fuerzas presentes, se ha analizado la relación de marchas para superar dichas fuerzas y alcanzar las diferentes velocidades.Con los resultados del análisis de fuerzas se ha podido observar que los factores que más influyen son la presencia del carro y los aumentos de pendiente, con lo que se ha podido definir el tipo de motor deseado para poder reducir el esfuerzo necesario por parte del ciclista, realizándose un estudio de mercado y un análisis de las propiedades de los motores seleccionados, para concluir con la opción del motor que mejores prestaciones presenta para ser instalado en la bicicleta

Aquest treball té com a objectiu dissenyar i muntar un robot cartesià de tres eixos parametritzable i que es pugui aplicar en diverses màquines i sistemes mèdics dissenyats i produïts per l'empresa Idneo. Aquest dispositiu a dissenyar pretén ser versàtil en quant a la funcionalitat, és a dir, que afegint alguns senzills accessoris desenvolupi diferents tasques que en aquest projecte no es concretaran.El projecte és especialment innovador perquè la major part de les peces que conformen l'estructura estan fetes a partir de fabricació additiva. Això permet obtenir dispositius de vàries mides de forma senzilla amb l'objectiu d'adaptar-los a diferents màquines.Un altre punt destacable és que el robot s'ha dissenyat seguint la metodologia Top Down Design utilitzant el programa de CAD Creo Parametic. L'avantatge de fer servir aquest software és que tot el dispositiu es parametritza de forma molt senzilla.Aquest projecte segueix tot el procés de desenvolupament d'una màquina des de l'inici fins al final, i per tant, en el treball es poden veure fases ben diferenciades:●Fase prèvia : Dins de la fase prèvia es troba tot el que té a veure amb les especificacions que es desitja que la màquina compleixi així com la presa de decisions dels aspectes inicials.●Fase de disseny: Pel que fa a aquesta fase es veu tot el procés de desenvolupament del sistema tant a nivell estructural com cinemàtic i dinàmic.●Fase de muntatge: Dins la fase de muntatge es recull tot el procés de construcció de la màquina.●Fase de validació: En la fase de validació es fa una comprovació dels resultats obtinguts en quant al prototipus.●Possibles millores: A la fase de possibles millores es troba un recull dels punts més crítics de la màquina i possibles alternatives per solucionar-los. Pàg. 4MemòriaAmb tot aquest estudi espot veure detalladament el procés de disseny, de muntatge i les incidències sorgides amb les seves possibles solucions. Amb aquest treball s'ha assoli t l'objectiu principal:proveir Idneo d'un robot cartesià paramètric fet amb 3D que pogués substituir els sistemes que s'utilitzen actualment per a desenvolupar certes tasques.

The main objective of this bachelor thesis in Industrial Technology Engineering is to predict dynamically consistent walking motions from kinematic and dynamic measurements obtained at the UPC Biomechanics Laboratory. A healthy gait cycle is captured and foot-ground contact forces are measured. Then, in order to acquire the new motions, optimal control techniques are applied. The human body is modeled with a multibody system formed by rigid bodies. Concretely, a twodimensional simpli ed skeletal model focused on the lower extremity is used in this work. It is formed by a total of 12 rigid bodies (trunk, pelvis and leg segments) and it has 10 degrees of freedom. The inverse dynamic analysis is performed using OpenSim, a free software tool developed by Stanford University that is widely used by the scienti c community. The optimal control algorithm to obtain dynamically consistent walking motions from experimental data is implemented in MATLAB. Moreover, the software used to solve the optimal control problem is GPOPS-II, a general-purpose MATLAB-based software for solving multiple-phase optimal control problems, developed by the University of Florida. Parameters of GPOPS-II are changed to study the in uence on the solution. Then, di erent formulations are analyzed to assess convergence and similarity between the new motion and the captured one. During this report, all the processes involved in the analysis and the related theory are detailed, as well as the methodology used. Theoretical background is presented and complemented with examples of other works. The skeletal model used is described in detail. The process to export and obtain the experimental kinematics and dynamics using OpenSim is explained step by step. Optimal control theory and GPOPS-II working environment, which are employed as the tool to predict new motions, are also explained. And nally, results are presented and discussed. This project is considered an initial study of optimal control techniques to predict human motion. Thereby, it allows to understand these techniques and gain knowledge about how they can be used in order to be applied, in the future, in more complex models.