Test bike bench design for 3d kinematic and kinetic optimisation in cycling

Abstract

The main objective of this thesis was to solve the 3D inverse dynamic problem during cycling. For this purpose, the procedures used for motion capture using videogrammetry were adapted to the practice of cycling. In addition, modifications were made to a commercial bicycle in order to measure the forces applied to it. In order to achieve the objective, the first of the studies carried out in this thesis was the 3D lower body movement analysis during pedalling. The complexity of accurately measuring movements outside the sagittal plane (plane parallel to the bicycle frame), caused the number of studies focusing on 3D kinematic analysis of cycling to be limited. The studies that opt to analyse kinematics outside the sagittal plane tended to use marker protocols from gait analysis, which did not take into account the cycling particularities. Due to the lack of a specific marker protocol for cycling, one of the aims of this thesis was to develop and evaluate a new marker protocol with which to carry out a 3D kinematic analysis in cycling at the level of position, velocity and acceleration in a simple way and without affecting the comfort of the participant. Because there is no gold-standard of 3D pedalling kinematics accepted by the scientific community, the results obtained have been evaluated by physiological and comparative analysis with previous works. The results obtained were similar to those in the literature, with low intra-subject variability in the sagittal and transverse planes and a high repeatability of the order of that reported by other protocols for gait analysis. Velocity and acceleration results outside the sagittal plane suggested their importance when considering them in the resolution of the inverse dynamic problem. To solve the inverse dynamic problem in the lower body, in addition to the movement of this, the 3D force applied to the pedals had to be known. To obtain this force, the most commonly used equipment tended to focus only on the components contained in the sagittal plane, which means that one of the components of the force was disregarded. On the other hand, equipment intended to measure all three components of force tended to be bulky and heavy, which could affect the naturalness of pedalling. In this work an equipment capable of measuring the three components of the force applied to both pedals, with a reduced mass and size, has been developed and evaluated. The results obtained when measuring the pedalling forces were similar to those shown in the literature. The correct estimation of the lateral-medial direction force was of great interest to assess possible joint overload. The temporal evolution of the total power over the pedalling cycle was also estimated with values also similar to the literature. Once a procedure for obtaining the 3D motion of the cyclist and calculating the three components of the force applied to the pedals was available, the 3D dynamics analysis during pedalling was possible. In the literature, most of the works that carry out a dynamic analysis of pedalling focused on the sagittal plane. Few studies performed a 3D dynamic analysis and those that carried it out, did not study all the joints that form the lower body. In this thesis, the 3D inverse dynamic problem was solved for the three joints that make up the lower body using the bottom-up methodology. In order to carry out this study, the marker protocol designed in this thesis and the force measurement equipment installed in both pedals were used. Additionally, a process had to be designed to synchronise the kinematic data and the forces applied to the pedals. As a result, joint moments and forces and joint-specific powers were obtained, but they could only be partially evaluated due to the limited information available for data outside the sagittal plane. Those results that could be compared showed significant similarities with the published results. The study of cycling dynamics showed that the pedalling ability of the participants analysed had a notable effect on the results obtained. In addition to the main objective, this thesis also carried out other types of studies applying the knowledge obtained in the processes described above. One of these studies was the analysis of the asymmetries in the forces applied to the pedals by both legs. This study was important because the asymmetries may affect the performance of the cyclist or prevent the occurrence of injuries. Studies focused on analysing asymmetries in forces tend to consider only the effective force, disregarding the three-dimensional nature of the force. Another characteristic of these studies was that they tend to analyse asymmetries using significant scalar data, such as the maximum value of the force or the range. This way of operating can also hide information. Therefore, in this thesis the analysis of the asymmetries for the three components of the force evaluated at all the instants of the pedalling cycle was carried out using the normalised symmetry index and the cross-correlation coefficient. The combination of both indices not only made possible to detect if there were asymmetries, but also the possible cause of these asymmetries: differences in force levels and/or time lags in the temporal evolutions of the forces applied by each leg. Forces in the sagittal plane showed a high level of symmetry. The lateral-medial force presented the highest level of asymmetry due to the difference in the magnitudes of the applied forces by both legs and the existing time shift between the two force patterns. Another application of the knowledge obtained in this thesis was the analysis of the effect of pedalling power on joint angles, forces and moments and joint-specific powers. This type of study has been carried out in the literature focusing on the sagittal plane and using scalar variables (ranges, maximum or minimum values). This way of working causes loss of information, as well as not identifying in which instants or phases of the cycle the pedalling power used has the greatest effect. In this thesis, the effect of using different pedalling powers on the variables mentioned above was analysed using three different pedal powers (170 W, 240 W and 310 W). All the variables were analysed in a 3D way and throughout the whole pedalling cycle (vector variables). The study of the effects of power was carried out by analysis of variance using the statistical parametric mapping methodology. From these statistical analyses the conclusion was that pedalling power did not affect kinematics. Joint moments and forces were the variables most sensitive to pedalling power, while the knee was the joint that showed the greatest sensitivity to changes in pedalling power. For joint moments, significant differences were obtained for all three anatomical planes. Similarly, joint forces also showed significant differences in the three directions of space. For both variables, the instants where the greatest differences occurred were near the top or bottom dead centre or the zone of maximum force application. As a final part of this thesis, the conclusions reached were presented together with the limitations presented in the different studies carried out. Additionally, the contributions of this thesis to scientific journals and congresses were listed together with the future lines of research.

El principal objetivo de esta tesis fue resolver el problema dinámico inverso 3D en el ciclismo. Para ello, los procedimientos empleados para la captura de movimiento mediante videogrametría fueron adaptados a la práctica del ciclismo. Además, se realizaron modificaciones en una bicicleta comercial con el fin de medir las fuerzas aplicadas sobre ella. Para lograr el objetivo de esta tesis, el primero de los estudios realizados fue el análisis 3D del movimiento del tren inferior durante el pedaleo. La complejidad de medir con precisión los movimientos fuera del plano sagital (plano paralelo al cuadro de la bicicleta), hizo que el número de estudios centrados en el análisis cinemático 3D del ciclismo fuera limitado. Los estudios que optaban por analizar la cinemática fuera del plano sagital solían utilizar protocolos de marcadores procedentes del análisis de la marcha, que no tenían en cuenta las particularidades del ciclismo. Debido a la falta de un protocolo de marcadores específico para ciclismo, uno de los estudios llevados a cabo en esta tesis fue desarrollar y validar un nuevo protocolo de marcadores con el que realizar un análisis cinemático 3D en ciclismo a nivel de posición, velocidad y aceleración de forma sencilla y sin afectar a la comodidad del participante. Debido a que no existe un gold-standard de cinemática de pedaleo 3D aceptado por la comunidad científica, los resultados obtenidos han sido evaluados mediante análisis fisiológicos y comparativos con trabajos anteriores. Los resultados obtenidos eran similares a los de la literatura, con una baja variabilidad intra-sujeto en los planos sagital y transversal y una alta repetibilidad del orden de la reportada por otros protocolos de análisis de la marcha. Los resultados de velocidad y aceleración fuera del plano sagital sugerían su importancia a la hora de considerarlos en la resolución del problema de dinámica inversa. Para resolver el problema dinámico inverso en el tren inferior, además del movimiento de este, había que conocer la fuerza 3D aplicada a los pedales. Para obtener esta fuerza, los equipos más utilizados tendían a centrarse únicamente en los componentes contenidos en el plano sagital, lo que significaba que no se tenía en cuenta una de las componentes de la fuerza. Por otra parte, los equipos diseñados para medir los tres componentes de la fuerza solían ser voluminosos y pesados, lo que podía afectar a la naturalidad del pedaleo. En este trabajo se ha desarrollado y evaluado un equipo capaz de medir las tres componentes de la fuerza aplicada en ambos pedales, con una masa y tamaño reducidos. Los resultados 2 obtenidos en la medición de las fuerzas durante el pedaleo fueron similares a los mostrados en la literatura. La correcta estimación de la fuerza en dirección lateral-medial resultó de gran interés para valorar posibles sobrecargas articulares. También se estimó la evolución temporal de la potencia total a lo largo del ciclo de pedaleo con valores también similares a la literatura. Una vez que se dispuso de un procedimiento para obtener el movimiento 3D del ciclista y calcular los tres componentes de la fuerza aplicada a los pedales, fue posible realizar el análisis de la dinámica 3D durante el pedaleo. En la literatura, la mayoría de los trabajos que realizan un análisis dinámico del pedaleo se centraban en el plano sagital. Pocos estudios realizaban un análisis dinámico 3D y los que lo llevaban a cabo, no estudiaban todas las articulaciones que forman el tren inferior del cuerpo. En esta tesis se ha resuelto el problema dinámico inverso 3D para las tres articulaciones que forman cada lado del tren inferior empleando la metodología bottom-up. Para llevar a cabo este estudio, se utilizó el protocolo de marcadores diseñado en esta tesis y los equipos de medición de fuerza instalados en ambos pedales. Además, fue necesario diseñar un proceso para sincronizar los datos procedentes del análisis cinemático y las fuerzas aplicadas a los pedales. Como resultado, se obtuvieron los momentos, fuerzas y potencias articulares que sólo pudieron evaluarse parcialmente debido a la limitada información disponible para los datos fuera del plano sagital. Los resultados que pudieron compararse mostraron similitudes significativas con los resultados publicados. El estudio de la dinámica en la práctica del ciclismo puso de manifiesto que la habilidad de pedaleo de los participantes analizados influía notablemente en los resultados obtenidos. Además del objetivo principal, en esta tesis también se realizaron otro tipo de estudios aplicando los conocimientos obtenidos en los procesos descritos anteriormente. Uno de estos estudios fue el análisis de las asimetrías en las fuerzas aplicadas a los pedales por ambas piernas. Este estudio era importante porque las asimetrías pueden afectar al rendimiento del ciclista o prevenir la aparición de lesiones. Los estudios centrados en el análisis de las asimetrías en las fuerzas tienden a considerar sólo la fuerza efectiva, sin tener en cuenta la naturaleza tridimensional de la fuerza. Otra característica de estos estudios es que tienden a analizar las asimetrías utilizando datos escalares significativos, como el valor máximo de la fuerza o el rango. Esta forma de operar también puede ocultar información. Por ello, en esta tesis se realizó el análisis de las asimetrías para los tres componentes de la fuerza evaluando todos los instantes del ciclo de pedaleo. Para ello se utilizaron el índice 3 de simetría normalizado y el coeficiente de correlación cruzada. La combinación de ambos índices no sólo permitió detectar si existían asimetrías, sino también la posible causa de las mismas: diferencias en los niveles de fuerza y/o desfases en las evoluciones temporales de las fuerzas aplicadas por cada pierna. Las componentes de la fuerza contenidas en el plano sagital mostraron un alto nivel de simetría. La fuerza lateral-medial presentó el mayor nivel de asimetría debido a la diferencia en las magnitudes de las fuerzas aplicadas por ambas piernas y al desfase temporal existente entre los dos patrones de fuerza. Otra aplicación de los conocimientos obtenidos en esta tesis fue el análisis del efecto de la potencia de pedaleo sobre los ángulos, las fuerzas, los momentos y las potencias articulares. Este tipo de estudio se ha realizado en la literatura centrándose en el plano sagital y utilizando variables escalares (rangos, valores máximos o mínimos). Esta forma de trabajar provoca pérdida de información, además de no identificar en qué instantes o fases del ciclo tiene mayor efecto la potencia de pedaleo utilizada. En esta tesis se analizó el efecto de la utilización de diferentes potencias de pedaleo sobre las variables anteriormente mencionadas empleando tres potencias de pedaleo diferentes (170 W, 240 W y 310 W). Todas las variables se analizaron de forma tridimensional y a lo largo de todo el ciclo de pedaleo (variables vectoriales). El estudio de los efectos de la potencia se llevó a cabo mediante análisis de la varianza utilizando la metodología del mapeo paramétrico estadístico. De estos análisis estad ísticos se concluyó que la potencia de pedaleo no afectaba a la cinemática. Los momentos y fuerzas articulares fueron las variables más sensibles a la potencia de pedaleo, mientras que la rodilla fue la articulación que mostró mayor sensibilidad a los cambios en la potencia de pedaleo. Para los momentos articulares, se obtuvieron diferencias significativas para los tres planos anatómicos. Del mismo modo, las fuerzas articulares también mostraron diferencias significativas en las tres direcciones del espacio. Para ambas variables, los instantes en los que se produjeron las mayores diferencias fueron cerca del punto muerto superior o inferior o de la zona de máxima aplicación de fuerza. Como parte final de esta tesis, se expusieron las conclusiones alcanzadas junto con las limitaciones presentadas en los diferentes estudios realizados. Además, se enumeraron las aportaciones de esta tesis a revistas y congresos científicos junto con las futuras líneas de investigación.