Dissertação

{en_GB=Implementation of a 2D Musculoskeletal Model for the Analysis of Human Movement Using Fully Cartesian Coordinates} {} CONFIRMED

{pt=A biomecânica é uma ferramenta valiosa para descrever e avaliar o movimento do corpo humano, proporcionando conhecimentos que podem ser úteis nas áreas da medicina, reabilitação física ou desporto. Neste trabalho foi desenvolvido e implementado em Python um programa de análise de sistemas multicorpo 2D, usando uma formulação de dinâmica multicorpo com coordenadas totalmente Cartesianas, que permite realizar análises cinemáticas e dinâmicas deste tipo de sistemas, de uma forma geral, e do corpo humano em particular. Para representar as características do corpo humano foi desenvolvida uma base de dados antropométricos onde constam três faixas etárias para ambos os géneros. Quanto à modelação da unidade musculotendinosa, usou-se um modelo do tipo de Hill, integrado na respetiva formulação. De modo a avaliar a validade da formulação escolhida, foram calculados os momentos de força nas articulações da perna para um movimento de marcha humana adquirido experimentalmente. Uma diversidade de cenários foi ainda criada com o intuito de testar a solidez do modelo muscular. Além disso, foram também estimadas as ativações e forças dos músculos que cruzam o tornozelo, durante um ciclo de marcha, usando dois critérios de otimização distintos: minimização das ativações musculares e o min/max. Este trabalho concluiu que as coordenadas totalmente Cartesianas representam uma formulação viável para o cálculo dos momentos de força. Adicionalmente, o critério min/max provou ser a escolha mais acertada para a resolução do problema da indeterminação muscular. Os resultados obtidos mostram a importância do escalamento dos parâmetros da dinâmica muscular, a implementar neste tipo de análise., en=Biomechanics is a valuable tool to describe and evaluate the motion of the human body, providing insight that can have applications in the fields of medicine, physical rehabilitation or sports. In this work, a 2D multibody system analysis program was developed and implemented in Python, making use of a fully Cartesian coordinates formulation, which allows for kinematic and dynamic analysis of this type of system, in general, and of the human body in particular. To describe the characteristics of the human body, an extended anthropometric database was constructed, including three different age groups for both genders. Regarding the modelling of the musculotendon unit, a Hill-type muscle model was used and integrated in the previous formulation. In order to evaluate the validity of the multibody formulation, the moments of force at the lower limb joints were computed for the human gait, acquired experimentally. A series of scenarios were also designed to test the reliability of the muscle model. Moreover, the muscle activations and forces were estimated for the muscles spanning the ankle joint, during a gait cycle, using two distinct optimization criteria: the minimization of the muscle activations and the min/max. This study concluded that fully Cartesian coordinates are a reliable formulation for the computation of the joint moments. Furthermore, the min/max criterion proved to be the best choice for the muscle indeterminacy problem. The results demonstrate the importance of the scaling of the muscle dynamic parameters, to be implemented in this type of analysis. }
{pt=Biomecânica, Coordenadas totalmente Cartesianas, Dinâmica multicorpo, Modelação musculoesquelética, Otimização, en=Biomechanics, Fully Cartesian coordinates, Multibody dynamics, Musculoskeletal modelling, Optimization}

Novembro 22, 2019, 15:30

Orientação

ORIENTADOR

Miguel Pedro Tavares da Silva

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Associado

ORIENTADOR

Ivo Fialho Roupa

Instituto Superior Técnico

Especialista