Entwicklung eines biomechanischen Ersatzmodells zur Simulation der menschlichen Bewegung auf einem Ruderergometerd : das inverse und das direkte dynamische Problem

Abstract

Die gegenständliche Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines biomechanischen Ersatzmodells zur Simulation der menschlichen Bewegung auf einem Ruderergometer. Dieses Modell wird in weiterer Folge zur Lösung des inversen und des direkten dynamischen Problems herangezogen. Das entwickelte Starrkörpermodell stellt eine ebene 8-gliedrige kinematische Kette dar, deren Glieder durch idealisierte Gelenke miteinander in Verbindung stehen. Für die Simulationen wird ein Widerstandsmechanismus des Ergometers angenommen, der mit einem Ventilator arbeitet. Die berücksichtigten Muskeln entwickeln in den idealisierten Gelenken Momente, die das Starrkörpermodell bewegen. Das verwendete biomechanische Muskel-Sehnen Ersatzmodell setzt sich aus verschiedenen Federelementen und einem kontraktilen Element zusammen. Im Rahmen der Lösung des inversen Problems wird das Modell dazu benützt, die bei einer vorgegebenen menschlichen Bewegung auf einem Ruderergometer auftretenden Muskelkraftverläufe zu berechnen. Da die verschiedenen Gelenke von mehr Muskeln umspannt werden als dort Freiheitsgrade vorliegen, erhält man unterbestimmte Gleichungssysteme, in denen mehr unbekannte Muskelkräfte auftreten als Gleichungen. Um diese Aufgabe zu lösen, wird auf ein Kriterium zurückgegriffen, das unter der Einhaltung entsprechender Rahmenbedingungen minimiert wird. Die berechneten Muskelkraftverläufe stimmen im wesentlichen mit elektromyographischen Messungen aus der zur Verfügung stehenden Literatur überein. Zur Lösung des direkten dynamischen Problems werden die neuronalen Erregungen der berücksichtigten Muskeln vorgegeben, um die menschliche Bewegung auf einem Ruderergometer zu simulieren. Die Berechnung der Bewegung des mechanischen Ersatzmodells erfolgt unter Verwendung der neuronalen Erregungen, des biomechanischen Muskel-Sehnen Ersatzmodells, der unterschiedlichen Gelenkgeometrien und der Bewegungsgleichungen.

The work at issue deals with the development of a biomechanical model to simulate the human movement on a rowing ergometer. This model is subsequently used to solve the inverse and the direct dynamic problem. The developed rigid-body model represents a planar 8-link kinematic chain. The links are connected by idealized joints. A resistance mechanism of the ergometer working with a fan was assumed for the simulations. The considered muscles develop moments in the idealized joints which move the rigid-body model. The used biomechanical muscle-tendon model consists of different spring-elements and one contractile element. Solving the inverse problem the model was used to calculate the courses of muscle forces appearing during a predetermined human motion on a rowing ergometer. The different joints are spanned by more muscles than there are degrees of freedom. This results in underdetermined systems of equations with more unknown muscle forces than equations. In order to solve this task a criterion was minimized under the consideration of corresponding constraints. The calculated courses of muscle forces agree essentially with electromyographic measurements reported in available literature. Solving the direct dynamic problem the neural excitations of the considered muscles were predetermined to simulate the human movement on a rowing ergometer. The motion of the mechanical model was calculated by using the neural excitations, the biomechanical muscle-tendon model, the various joint geometries and the equations of motion.