Progettazione e Sviluppo di un Dispositivo Wearable Ottimizzato per il Monitoraggio delle Prestazioni di Atleti Paralimpici e delle Protesi (Progetto Olympia)

This work focuses on the design and development of a low-energy wearable device for the biomechanical analysis of Paralympic athletes, as part of the Olympia Project, a collaboration between the University of Padua and the INAIL Prosthetic Center in Budrio (BO). In this context, the constraints and objectives for the development of the device to be inserted into lower limb sports prostheses have been defined, including costs, form factor, interrogability, processing capacity, and energy consumption. The aim of the work is to create a compact electronic device capable of evaluating the performance of Paralympic athletes and the durability of prostheses through the acquisition and analysis of inertial data from IMU sensors. The document presents a detailed comparative analysis of the best low-power commercial platforms, such as ESP32 and nRF, providing quantitative comparisons between the performance of MCUs, inertial sensors and wireless communication in each platform, with a careful focus on the power consumption associated with each functional block. The Seeed XIAO nRF52840 Sense Plus board, identified as the most suitable solution, is described in detail and integrated with a 102050 lithium battery, after considerations regarding the energy profile. The robustness of this architecture and the achievement of the excellent performance trade-off guaranteed by this HW combination are demonstrated. This is followed by the development of a dedicated firmware for the nRF, structured around multiple scenarios and operating states, which allow the system to work in different operating modes, compatible with all the activities performed by the Paralympic athlete, processing data related to their biomechanics. To this end, algorithms for Activity Detection, Step Counting and extraction of significant biomechanical features are proposed, all designed with an embedded approach. The firmware is completed by the integration of the BLE module, which allows the transmission of data acquired and processed by the XIAO. The work concludes with experimental measurements carried out with a Keithley 6485 picoammeter and empirical tests on the device's autonomy in a real context, within the scenarios implemented in the firmware. Estimates and validations of energy consumption demonstrate the robustness of the proposed solution for use in monitoring sports prostheses in the Paralympic context.

Questo lavoro riguarda la progettazione e lo sviluppo di un dispositivo indossabile a basso consumo energetico per l’analisi biomeccanica di atleti paralimpici. L’attività si inserisce nel Progetto Olympia, una collaborazione tra l’Università di Padova e il Centro Protesi INAIL di Budrio(BO). In questo contesto sono stati definiti i principali vincoli progettuali, tra cui costi, fattore di forma, interrogabilità, capacità di elaborazione e consumo energetico, per l’integrazione del dispositivo in protesi sportive per arti inferiori. L’obiettivo è realizzare un sistema elettronico compatto in grado di valutare le prestazioni degli atleti e la durabilità delle protesi, attraverso l’acquisizione e l’analisi di dati inerziali provenienti da sensori IMU. A tal fine, viene presentata un’analisi comparativa delle principali piattaforme commerciali a basso consumo, come ESP32 e nRF. Il confronto considera le prestazioni di microcontrollori, sensori e moduli di comunicazione wireless, con particolare attenzione ai consumi energetici dei diversi blocchi funzionali. Tra le soluzioni analizzate, la scheda Seeed XIAO nRF52840 Sense Plus è risultata la più adatta. Essa viene descritta nel dettaglio e integrata con una batteria al litio 102050, sulla base di valutazioni legate al pro lo energetico. Questa combinazione hardware consente di ottenere un buon compromesso tra prestazioni e consumi, garantendo al tempo stesso robustezza e affidabilità. Successivamente, è stato sviluppato un firmware dedicato per la piattaforma nRF. Il sistema è organizzato in diversi scenari e stati operativi, così da adattarsi alle di differenti attività dell’atleta. In questo modo è possibile elaborare informazioni rilevanti sulla biomeccanica del movimento. A questo scopo sono stati implementati algoritmi di riconoscimento delle attività, conteggio dei passi ed estrazione di feature biomeccaniche significative, progettati secondo un approccio embedded. Il firmware include inoltre l’integrazione del modulo BLE, che consente la trasmissione dei dati acquisiti ed elaborati dal dispositivo. Il lavoro si conclude con una campagna di misure sperimentali, e effettuate tramite un pico-amperometro Keithley 6485, e con test di autonomia in condizioni reali. I risultati ottenuti confermano la validità della soluzione proposta e la sua idoneità per il monitoraggio di protesi sportive in ambito paralimpico.