Dinamica dell’handcycling: un’analisi integrata di biomeccanica, vibrazioni e prestazioni mediante IMU e modellazione

Handcycling has emerged as a vital solution for independent mobility and physical activity, bridging the domains of rehabilitation, assistive technology, and competitive sport. For individuals with spinal cord injury or lower-limb impairments, the handbike offers biomechanical advantages over traditional wheelchair propulsion; however, the rigid coupling between the athlete and the frame exposes the upper body—a system inherently more vulnerable to repetitive strain than the lower limbs—to significant mechanical stress. Despite the known risks associated with long-term exposure to road irregularities, the propagation of vibrations and accelerations through the handbike and rider system in real- world conditions remains incompletely understood. This thesis addresses this gap by developing and validating a methodological and analytical framework to quantify such dynamics, linking mechanical design and propulsion patterns to performance and comfort. The research is structured into four phases. First, a structured literature review maps the scientific landscape on handbikes up to 2022, classifying documents by clinical focus, device characteristics, forces, geometry, sensors, and actuation. This synthesis highlights a strong emphasis on physiology and laboratory-based testing, contrasted with limited and non-standardized assessments of vibrations, surface effects, and in-field measurement. Second, an Artificial Upper Limb Mechanism (AULM) is presented. The device was developed to replicate planar handcycling kinematics under motor-driven, repeatable conditions. Using this bench simulator, multiple inertial measurement unit (IMU) locations are compared in terms of the cycle-to-cycle stability of total acceleration. The results show that sensors placed on mechanically constrained links near the actuated joint or handle produce markedly more repeatable profiles than distal or more compliant sites, providing practical criteria for sensor placement in field studies. Third, a compact three-degree-of-freedom vibrational model was formulated to represent the coupled response of the front wheel, frame and seat, and rider trunk. Preliminary outdoor measurements on a commercial handbike were used to support a nominal parameterization and plausibility check of the model, and to interpret how low-frequency cadence-related content and roughness-related vibration components may propagate through the handbike--rider system. Finally, the validated IMU configuration and the dual analytical framework were applied to an outdoor handcycling study on a mixed-surface circuit comprising straights, curves, a climb, and a gravel segment. Eight IMUs distributed over mechanical and anatomical sites provided segment-specific descriptors of total acceleration and jerk in the time domain. Comparing two laps performed by two different participants revealed an overall reduction in variability, peak amplitude, and impulsive events in Ride~2 relative to Ride~1, especially at the main mechanical interfaces. These findings are consistent with smoother propulsion, reduced vibrational harshness, and more stable control under the tested conditions. The combined percent-cycle and time-aligned views help separate differences in cycle morphology and control strategy from differences in pacing. Overall, this thesis delivers an integrated framework that combines taxonomy, bench validation, lumped-parameter modeling, and real-world sensing. The proposed methods and findings support the more informed design of handbikes, vibration-aware coaching strategies, and targeted rehabilitation protocols for users who rely on handcycling for daily mobility and sport.

L’handcycling rappresenta oggi una soluzione rilevante per la mobilità autonoma, la riabilitazione e la pratica sportiva. Per persone con lesione midollare o limitazioni agli arti inferiori, l’handbike offre vantaggi biomeccanici rispetto alla carrozzina tradizionale; tuttavia, il collegamento rigido tra atleta e telaio espone il tronco e gli arti superiori a sollecitazioni meccaniche ripetute. In condizioni reali, la propagazione di vibrazioni e accelerazioni attraverso il sistema handbike–rider è ancora poco caratterizzata. Questa tesi affronta tale problema sviluppando un framework metodologico e analitico per collegare progettazione meccanica, strategia propulsiva, comfort e prestazione. Il lavoro è articolato in quattro fasi. La prima consiste in una revisione strutturata della letteratura sulle handbike fino al 2022, con classificazione dei contributi in base ad aspetti clinici, caratteristiche del dispositivo, forze, geometria, sensori e attuazione. L’analisi evidenzia una forte attenzione a fisiologia e prove di laboratorio, ma anche una limitata standardizzazione delle misure outdoor, degli effetti della superficie e delle vibrazioni. La seconda fase introduce un Artificial Upper Limb Mechanism (AULM), progettato per riprodurre la cinematica planare dell’handcycling in condizioni controllate e ripetibili. Il banco ha permesso di confrontare diverse posizioni di sensori inerziali (IMU) valutando la stabilità ciclo-per-ciclo dell’accelerazione totale. I risultati indicano che i sensori montati su elementi più vincolati, in prossimità del giunto attuato o dell’interfaccia mano–manubrio, producono profili più ripetibili rispetto a siti distali o più cedevoli, fornendo criteri pratici per il posizionamento nelle prove sul campo. La terza fase propone un modello vibrazionale compatto a tre gradi di libertà per rappresentare la risposta accoppiata di ruota anteriore, telaio-sedile e tronco del rider. Misure preliminari outdoor su una handbike commerciale sono state utilizzate per una parametrizzazione nominale e per una verifica di plausibilità, con l’obiettivo di interpretare la possibile propagazione di contenuti legati alla cadenza e alle irregolarità del terreno nel sistema handbike–rider. Infine, la configurazione IMU validata è stata applicata a uno studio outdoor su un circuito misto composto da rettilinei, curve, salita e ghiaia. Otto sensori, distribuiti tra siti meccanici e anatomici, hanno fornito descrittori segment-specific dell’accelerazione totale e del jerk nel dominio del tempo. Il confronto tra due giri, eseguiti da due partecipanti diversi, mostra nel Ride 2 una riduzione complessiva di variabilità, ampiezza dei picchi ed eventi impulsivi rispetto al Ride 1, soprattutto alle principali interfacce meccaniche. Tali risultati sono coerenti con una propulsione più regolare, una minore severità vibrazionale e un controllo più stabile nelle condizioni testate, pur richiedendo cautela interpretativa per la numerosità limitata del campione e per le variabili non rigidamente controllate. Nel complesso, la tesi propone un approccio integrato che combina tassonomia, validazione su banco, modellazione a parametri concentrati e misure in ambiente reale. I metodi e i risultati ottenuti possono supportare la progettazione di handbike più confortevoli, strategie di coaching sensibili alle vibrazioni e protocolli riabilitativi mirati per utenti che utilizzano l’handcycling nella mobilità quotidiana o nello sport.