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Dissertação

{en_GB=Development of a Leg and Foot Model with Ground Contact for Analysis and Simulation of Human Gait} {} EVALUATED

Detalhes: {pt=O cálculo correcto de forças de contacto e respectivos pontos de aplicação é um passo crucial e indispensável no planeamento de trajectórias e simulação de movimento humano. O objectivo deste trabalho é o desenvolvimento de um modelo computacional da perna e pé humano, fazendo uma analise de dinâmica directa com coordenadas naturais, que calcule correctamente as forças de contacto e pontos de aplicação gerados durante o contacto entre o chão e o pé durante a marcha. O algoritmo de detecção de contacto e o modelo de força de contacto foram implementados no código de dinâmica multi-corpo Apollo, numa perspectiva de analise de dinâmica directa e inversa. Uma lei de contacto com coeficientes de restituição moderados é usado para simular o contacto entre o solo e a planta do pé, de um modelo multicorpo de perna e pé definido por quatro segmentos anatómicos. A detecção de contacto é assegurada atravéz de um processo iterativo que recorre a superfícies definidas implicitamente, particularmente superfícies planares, quadráticas e super-quadráticas, para encontrar possíveis pares de contacto. O modelo foi testado para casos simples. De forma a calcular correctamente as forças de contacto, um processo de optimização foi implementado para encontrar os melhores valores para o tamanho, posição e orientação das superfícies usadas para definir a planta do pé. As forças obtidas através do modelo de força de contacto, utilizando os valores identificados na optimização, foram comparados com os obtidos experimentalmente para avaliar a eficácia do processo implementado., en=The correct calculation of foot and ground contact forces and their application points is a crucial and indispensable step in path planning or human movement simulation. The purpose of this work is the development of a computational model of the human leg and foot that, using forward dynamic analysis with natural coordinates, accurately calculates the contact forces and its application points generated during the contact between the foot and the floor in level walking. The contact detection algorithm and contact force model were implemented in the multibody dynamics code Apollo in a forward and inverse dynamics perspective. A contact force law with a moderated coefficient of restitution is used to simulate the soft tissue contact with the ground of a leg and foot multibody model described with four anatomical segments. Contact detection is assured through the use of an iterative method that recurs to implicit surfaces, in particular planar, quadric and superquadric surfaces, to find possible contact pairs. The model was tested for simple test cases. With the purpose of correctly calculate the contact forces, an optimization process was imple- mented to find the best values for the size, position and orientation of the surfaces used to define the sole of the foot. The forces obtained through the contact force model with the values determined by the optimization were compared with experimentally measured values to evaluate the effectiveness of the optimization process.}
Keywords: {pt=Detecção de contacto, Dinâmica multicorpo, Forças do pé, Superfícies implícitas, Simulação de movimento, Forças de contacto, en=Contact detection, Multibody dynamics, Foot force, Implicit surfaces, Movement simulation, Contact forces}

Discussão: junho 24, 2015, 9:0