Modellierung und Simulation menschlicher Bewegungen mittels effizienter Vorwärtsdynamiksimulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Modellierung des zeitveränderlichen dynamischen Verhaltens des menschlichen Bewegungsapparats führt auf ein hochdimensionales mechanisches Mehrkörpersystem, bestehend aus Teilmodellen für Skelett und Schwabbelmassen, Muskeln und Sehnen als redundante Antriebe sowie Optimierungsmodelle zur Simulation der an einer Bewegung beteiligten Muskelgruppen. Im Gegensatz zur verbreiteten Rückwärtssimulation zur Berechnung der für vorgegebene, üblicherweise gemessene, kinematische Bewegungstrajektorien erforderlichen Muskelsteuerungen ist die Vorwärtsdynamiksimulation aufgrund der enorm hohen Komplexität der resultierenden optimalen Steuerungsprobleme bisher nicht bei allgemeiner Problemformulierung sondern nur für vereinfachte Modelle mit einzelnen Gliedmaßen möglich. Im Berichtszeitraum wurde die modulare und objektorientierte Modellierungsmethodik der Bewegungsdynamik um mehrere etablierte biomechanische Muskelmodelle, ein biomechanisches Schwabbelmassenmodell, ein Bodenkontaktmodell und die Behandlung geschlossener kinematischer Ketten erweitert. Zur Erhöhung der Effizienz und Robustheit der numerischen Lösung der aus der Vorwärtsdynamiksimulation resultierenden optimalen Steuerungsprobleme wurden zur Berechnung der Ableitungen des Biodynamikmodells nach den Steuer- und Zustandsvariablen zwei sich ergänzende Ansätze entwickelt: die Berechnung mittels rekursivem Mehrkörperdynamikalgorithmus sowie mittels Automatischem Differenzieren. Desweiteren wurde ein neuer Ansatz zur optimierungsbasierten Schätzung von bei menschlichen Bewegungen implizit verwendeten Gütekriterien zur Steuerung der an einer Bewegung beteiligten redundanten Muskelgruppen entwickelt und als Bilevel-Optimierungsproblem implementiert. Damit wird auch eine neue Möglichkeit zur Validierung von Optimierungshypothesen in der Biomechanik geschaffen. Zur Parametrierung und Validierung von biodynamischen Modellen und Optimierungsmodellen bei der Vorwärtsdynamiksimulation und -optimierung menschlicher Bewegungen wurde ein möglichst vollständiger Modell- und Messdatensatz ermittelt und veröffentlicht. Dieser enthält nicht nur kinematische Bewegungstrajektorien auf Segment- und Gelenkebene, sondern auch Bodenreaktionskräfte und zugehörige Muskelaktivitätsverläufe (EMG) sowie anthropometrische und biomechanische Probandendaten. Damit steht nach Kenntnis der Projektbeteiligten erstmals ein öffentlicher Datensatz in dieser Vollständigkeit als Referenz zur Verfügung, mit dem eine bestmögliche Qualität der Kalibrierung und Validierung von detaillierten Vorwärts- aber auch Rückwärtsdynamiksimulationen ermöglicht wird. Im Berichtszeitraum traten einige in ihrer Höhe und Auswirkung unerwartete Schwierigkeiten auf. Die detailgetreue Modellierung der menschlichen Bewegungsdynamik über biomechanische Mehrköpersystemdynamikmodelle erfordert die genaue Kenntnis einer Reihe von Teilmodellen und Modellparametern, die in der einschlägigen Fachliteratur selten angegeben werden (beispielsweise der muskulären Hebelarme und deren Angriffspunkte). Diese haben jedoch große Auswirkungen auf die qualitativen und quantitativen Ergebnisse einer Vorwärtsdynamiksimulation. Aufgrund des Ortswechsels des für die Aufnahme des Referenzdatensatzes vorgesehenen bewegungswissenschaftlichen Labors und den damit verbundenen Verzögerungen bis zur vollständigen Betriebsfähigkeit aller Messsysteme hat sich dessen Erstellung erheblich verzögert, so dass die dafür geplanten Auswertungen nicht mehr im Berichtszeitraum abgeschlossen werden konnten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Simulation of Dynamics and Realistic Contact Forces for Manipulators and Legged Robots with High Joint Elasticity. Advanced Robotics (ICAR), 2011 15th International Conference on 20-23 June 2011, Tallinn, S. 34–41.
T. Lens, K. Radkhah, O. von Stryk
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A modular and efficient approach to computational modeling and sensitivity analysis of robot and human motion dynamics. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 12. 2012, Issue 1: Special Issue: 83rd Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM), Darmstadt 2012; Editors: H.-D. Alber, N. Kraynyukova and C. Tropea, pp. 85–86.
M. Friedmann, J. Wojtusch, O. von Stryk
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Prosthesis-User-in-the-Loop: A user-specific biomechanical modeling and simulation environment. Proceedings of the International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2012, S. 4181–4184.
J. Wojtusch, P. Beckerle, O. Christ, K. Wolff
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A Biomechanical Model for the Estimation of Dynamic Interactions at the Transfemoral Socket Interface. International Society of Prosthetics and Orthotics World Congress, 4th - 7th February 2013, HICC, Hyderabad - India.
Wojtusch, J., Beckerle, Philipp, von Stryk, O., Rinderknecht, Stephan
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HUMOD - A versatile and open database for the investigation, modeling and simulation of human motion dynamics on actuation level. Proceedings of the IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids), Seoul, 2015.
J. Wojtusch, O. von Stryk
