Simulering (och förbättring) av mänskliga rörelser Anders Eriksson och Elena Gutierrez- Farewik KTH Mekanik, (E G-F även KI, Kvinnors och barns hälsa)
Jan 04, 2016
Simulering (och förbättring) av mänskliga rörelser
Anders Eriksson och Elena Gutierrez-FarewikKTH Mekanik,
(E G-F även KI, Kvinnors och barns hälsa)
2006-02-15 KTH Mekanik 2
Biomekanik, muskelarbetets mekanik
2006-02-15 KTH Mekanik 3
Biomekanik, muskelarbetets mekanik
• Muskelfysiologiska modeller (experimentellt samarbete med KI, Fysiologi och Farmkalogi)
• Statisk optimering av bärförmåga och rörelser
• Dynamisk optimering av rörelsemönster (under villkor)
Grundforskning, med kliniska implikationer
2006-02-15 KTH Mekanik 4
Numeriska muskelmodeller
• Hill-modeller: Original + diverse förbättringar
• Stora brister i allmänna kombinationer av rörelse och aktivering.
Våra typexempel:• Muskelmotståndet i
nacken vid frontalkollision• Kajsas och Stefans
avstamp.
2006-02-15 KTH Mekanik 5
Typiskt resultat
• Förenklad ’crash test dummy’. Mekanisk modell.
• Antaget: krockförutsättningarbara muskeleffekter ska bromsa
nackvinkeln skadekriterium
• Slutsats: Oförberedd, Maxhastighet ca 28 km/h
Förberedd ca 43 km/h
Produkt: krocksensor för förhandsvarning.
2006-02-15 KTH Mekanik 6
Redundanta kraftsystem
Jämvikt i system med redundanta kraftvägar.
• (Höggradigt) redundanta system.
• Alternativa rörelse- mönster och kraft- fördelningar.
• Hur väljer naturen?
2006-02-15 KTH Mekanik 7
Kapacitet i olika positioner, ur antagna muskeldata
2006-02-15 KTH Mekanik 8
Utnyttjande av övertalighet
• Sentransfereringar:
Att låta en muskel göra en annans jobb…
Vad är mest önskvärt av minimala rörelser
Hur göra?
Vad blir effekterna?
• Produkt: ett simuleringsverktyg för att under kirurgiska ingrepp planera och utvärdera olika strategier.
• Eller, ett provningsprogram och ett analysverktyg för att utvärdera enskilda musklers kapacitet.
2006-02-15 KTH Mekanik 9
Dynamisk situation: rörelseanalys
• Att kunna mäta och beskriva rörelser….
• för många olika syften
• Och att använda dessa i simuleringar.
2006-02-15 KTH Mekanik 10
Principer
• En markör sedd av flera kameror• Flera 2D bilder räknas till en 3D bild
kamerakamera
2006-02-15 KTH Mekanik 11
Hur det fungerar
2006-02-15 KTH Mekanik 12
Hur det fungerar
2006-02-15 KTH Mekanik 13
Ett exempel (av många)
• Klinisk rörelseanalys (anonymiserad!)
• Före och efter.
2006-02-15 KTH Mekanik 14
Efter vad?
• Olika typer av tekniska stöd.
• Optimerade för olika svagheter i muskelsystemet.
• Individanpassning (ur styrkemätningar)
• Produkternas utformning och hållbarhet.
• Simulering tillsammans med kroppsdelen
Produkter:Nya former,simuleringsverktyg
2006-02-15 KTH Mekanik 15
Komplexa rörelsemönster
Skenbart enkla rörelser, som att hoppa rakt upp…
• Att simulera, förstå, optimera och förse med lämplig utrustning…
• Att koda och ’visualisera’ rörelserna för inlärning.
2006-02-15 KTH Mekanik 16
Dynamiska simuleringar
Optimala rörelsemönster (från start- till slut-, via mellan-tillstånd)
• Dynamisk jämviktsformulering ur mekaniken (av godtycklig komplexitet).
• Optimalitetskriterium• Restriktioner på rörelser och krafter
Optimal(?) rörelse (åtminstone för robot)
Preliminäralgoritmfinns utvecklad
2006-02-15 KTH Mekanik 17
Slutkommentarer
Många muskelmekaniska situationer kan simuleras numeriskt.
Simuleringarna är i sig en produkt,
Och kan användas för att utveckla
Procedurer och prylar.
(Och då har vi ändå inte nämnt neurologiskt styrda muskelproteser, eller artificiella nerver för styrning)
2006-02-15 KTH Mekanik 18
Eller, i annan form
Mekanik ger bra modeller för musklernaMen, någon annan får ge muskler till modellerna: