Erstellung eines komplexen Muskel-Skelett-Modells zur Berechnung der Druckbelastung in Gelenken bei vorwärtsdynamisch simulierten Bewegungsformen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde ein dreidimensionales Computermodell erstellt, mit welchem die Berechnung der Druckverteilung auf den menschlichen Hüftgelenkflächen unter synthetisch generierter Bewegung mittels realitätsnah modellierter Muskel möglich ist. Damit wurde die Druckverteilung für den geregelten Zweibeinstandes berechnet. Da dafür kein geeignetes Modell existierte, lag die Hauptaufgabe in der Erstellung eines komplexen, biomechanischen Menschmodells (Anthropion), das die geforderten Funktionalitäten umfasste.

In der Vergangenheit wurden zwar viele biomechanische Modelle entwickelt, diese konzentrieren sich aber meistens auf die Beschreibung eines eng umrissenen Aspekts des biomechanischen Gesamtsystems und sind komplett unabhängig voneinander. Allgemeinere Modelle, die einen weiteren Bereich des biomechanischen Gesamtsystems abdecken, existieren kaum bzw. waren zur Bearbeitung der vorliegenden Fragestellung nicht geeignet. Daher erfolgte im Zuge dieser Arbeit die Integration mehrerer dieser speziellen Modelle zu dem komplexen, biomechanischen Muskel-Skelett-Menschmodell Anthropion mit Bewegungskontrolle und realitätsnah arbeitenden Muskeln.

Die Basis dieses als Computersimulation realisierten Modells ist ein dreidimensionales Mehr-Körper-System-Modell des Menschen mit Segmenten, Gelenken und Muskeln, das auf dem Modell von Delp basiert. Die Kraftentfaltung der Muskeln wird über ein Muskelmodell vom Hillschen Typ beschrieben. Den Zusammenhang zwischen dem Aktivierungszustand der Muskeln und ihrer von außen erfolgenden Stimulation stellen die Aktivierungsmodelle nach Hatze bzw. Zajac her. Für die Haltungs- und Lageregelung wird das Modell von Feldman verwendet. Die Druckberechnungen werden über einen vor kurzem entwickelten Kontaktalgorithmus namens Polygonal Contact Model realisiert.

Die Anwendbarkeit des Modells wurde durch die Simulation zweier ausgewählter Bewegungsszenarien gezeigt, darunter des geregelten Zweibeinstandes . Das Modell ist als Ausgangspunkt zur Bearbeitung weiterer Fragestellungen gedacht, da sowohl das Modell wie auch seine Simulationsumgebung gut erweiterbar sind.

In the present work a threedimensional computer modell was build for the computation of the pressure distribution on human hip joint surfaces during synthetically generated movement by means of close to reality modelled muscles. With this modell the pressure distribution for the controlled two leg stance was computed. Due to the lack of a suitable existing model, the main task was to create a complex biomechanical human model (Anthropion) with the required functionality.

In the past many biomechanical models were developed. Most of them describe only a few aspects of the complete biomechanical system and are completely unrelated to each other. More general models covering a wider scope of the total system re barely existing or were not adequate to the given problem. Hence, in the course of this work some of this special models were assembled to a complex biomechanical muscle-sceletton human model Anthropion featuring motion control and close to reality behaving muscles.

The basis of this model realised as a computer simulation is a three-dimensional multi body system model of the human with segments, joints and muscles which is basing on the model of Delp. The force development of the muscles is described by a hill type muslce model. The relation between the activation state of the muscles and their external stimulation is given by activation models of Hatze and Zajac. For the posture and position control a model from Feldman is used. The calculation of pressure is implemented through a recently developed contact algorithm named Polygonal Contact Model.

The usability of the model was shown by the simulation of two chosen motion scenarios including the controlled two leg stance. The model is meant to be a starting point for the investigation of further questions since the model is well extensible.