Resumen de A new robust motion reconstruction method based on optimisation with redundant constraints and natural coordinates
El análisis tridimensional del movimiento humano es de interés en diferentes áreas de las ciencias de la vida, animación por computador e ingeniería. Los elementos involucrados en el análisis del movimiento humano son equipos de medida para estimar variables cinemáticas, cinéticas y mioeléctricas, modelos matemáticos del sistema musculoesquelético humano, y métodos matemáticos para calcular las variables que no pueden ser medidas di rectamente. El objetivo e esta tesis es avanzar en el conocimiento de cuatro aspectos del análisis tridimensional del movimiento humano: 1) la reconstrucción del movimiento humano usando modelos esqueléticos de tamaño mediano y grande que incluyan lazos abiertos y cerrados, 2) dos problemas inherentes a los sistemas optoelectrónicos de captura del movimiento: el problema de los marcadores perdidos y la imposibilidad de medir completamente el movimiento de algunos huesos que se mueven bajo la piel, 3) la estimación de los parámetros específicos de un individuo usando únicamente un sistema de captura del movimiento, y 4) el desarrollo de varios modelos esqueléticos humanos adecuados para analizar diferentes movimientos relacionados con el automóvil. El problema de la reconstrucción del movimiento usando modelos esqueléticos humanos definidos con coordenadas naturales es formulado como un problema de optimización no lineal con restricciones de igualdad. La principal contribución de esta tesis es un nuevo método de optimización para resolver el problema de la reconstrucción del movimiento. El nuevo método de optimización es capaz de reconstruir el movimiento de modelos esqueléticos humanos de gran tamaño con lazos abiertos y cerrados definidos con coordenadas naturales y puede resolver también problemas que incluyan restricciones redundantes. Cuatro nuevas estrategias han sido propuestas para resolver los dos problemas inherentes a los sistemas optoelectrónicos de captura del movimiento considerados en esta tesis. Las cuatro estrategias han sido evaluadas usando datos experimentales con resultados satisfactorios. Estas estrategias permiten una reconstrucción de movimiento humano más robusta. Los parámetros específicos de un individuo son estimados usando métodos basados en la medida de puntos anatómicos. Además, se proponen un nuevo protocolo de medidas para medir los puntos anatómicos y una nueva metodología para estimar todos los parámetros específicos de un individuo usando únicamente los puntos anatómicos medídos.Tres modelos esqueléticos humanos han sido desarrollados para estudiar maniobras de conducción: un modelo de la parte superior del cuerpo con un detallado modelo del complejo del hombro y otro modelo de la parte superior del cuerpo con un modelo simplificado del nombro, ambos para estudiar maniobras de dirección, y un modelo del miembro inferior derecho para estudiar maniobras de frenado. Además, un modelo esquelético humano de todo el cuerpo, basado en el modelo RAMSIS, ha sido usado para estudiar movimientos de alcance con el brazo y tres tipos de movimientos relacionados con el automóvil.
The three-dimensional analysis of human movement is of interest in many different fields of life scienees, computer animation and engineering. The elements involved in the analysis of human movement are usually measurement equipments for estimating kinematic, kinetic and myoelectric variables, mathematical models of the human musculoskeletal system, and mathematical methods for calculating the variables which cannot be directly measured.. The aim of this thesis is to advance in the knowledge of four aspeets of the three-dimensional analysis of the human movement: 1) the motion reconstruction of human movements using large and medium-size skeletal models with open- and closed-loops, 2) two problems inherent to optoelectronic motion capture systems: the missing marker problem and the impossibility of measuring completely the motion of some bones which move under the skin, 3) the estimation of subject-specific parameters using only a motion capture system, and 4) the development of several human skeletal models suitable for analysing different vehicle-related motions. The motion reconstruction problem using human skeletal models defined with natural coordinates is formulated as a nonlinear constrained optimisation problem with equality constraint equations. The main contribution of this thesis is a new optimisation method for solving the motion reconstruction problem. The new optimisation method can reconstruct the motion of large-size human skeletal model-s with open- and closed-loops defined with natural coordinates and it can also handle redundant constraints. Four new strategies have been proposed for solving the two problems inherent to optoelectronic motion capture systems addressed in this thesis. The four strategies have been evaluated using experimental motion data with satisfactory results. These strategies enable a more robust reconstruction of the human movement. The subject-specific parameters are estimated using methods based on the measurement of anatomical landmarks. Furthermore, a new measurement protocol for measuring the anatomical landmarks and a new methodoloqy for estimating all subject-specific parameters from the measured anatomical landmarks are proposed. Three human skeletal models have been developed for studying driving manoeuvres: one upper body model with a detailed model of the shoulder complex and another upper body model with a simplified model of the shoulder complex for studying steering manoeuvres and one right lower limb model for studying braking manoeuvres. Additionally, a human skeletal e esta tesis es avanzar en el conocimiento de cuatro aspectos del análisis tridimensional del movimiento humano: 1) la reconstrucción del movimiento humano usando modelos esqueléticos de tamaño mediano y grande que incluyan lazos abiertos y cerrados, 2) dos problemas inherentes a los sistemas optoelectrónicos de captura del movimiento: el problema de los marcadores perdidos y la imposibilidad de medir completamente el movimiento de algunos huesos que se mueven bajo la piel, 3) la estimación de los parámetros específicos de un individuo usando únicamente un sistema de captura del movimiento, y 4) el desarrollo de varios modelos esqueléticos humanos adecuados para analizar diferentes movimientos relacionados con el automóvil.El problema de la reconstrucción del movimiento usando modelos esqueléticos humanos definidos con coordenadas naturales es formulado como un problema de optimización no lineal con restricciones de igualdad. La principal contribución de esta tesis es un nuevo método de optimización para resolver el problema de la reconstrucción del movimiento. El nuevo método de optimización es capaz de reconstruir el movimiento de modelos esqueléticos humanos de gran tamaño con lazos abiertos y cerrados definidos con coordenadas naturales y puede resolver también problemas que incluyan restricciones redundantes. Cuatro nuevas estrategias han sido propuestas para resolver los dos problemas inherentes a los sistemas optoelectrónicos de captura del movimiento considerados en esta tesis. Las cuatro estrategias han sido evaluadas usando datos experimentales con resultados satisfactorios. Estas estrategias permiten una reconstrucción de movimiento humano más robusta. Los parámetros específicos de un individuo son estimados usando métodos basados en la medida de puntos anatómicos. Además, se proponen un nuevo protocolo de medidas para medir los puntos anatómicos y una nueva metodología para estimar todos los parámetros específicos de un individuo usando únicamente los puntos anatómicos medí dos. Tres modelos esqueléticos humanos han sido desarrollados para estudiar maniobras de conducción: un modelo de la parte superior del cuerpo con un detallado modelo del complejo del hombro y otro modelo de la parte superior del cuerpo con un modelo simplificado del nombro, ambos para estudiar maniobras de dirección, y un modelo del miembro inferior derecho para estudiar maniobras de frenado. Además, un modelo esquelético humano de todo el cuerpo, basado en el modelo RAMSIS, ha sido usado para estudiar movimientos de alcance con el brazo y tres tipos de movimientos relacionados con el automóvil. The three-dimensional analysis of human movement is of interest in many different fields of life scienees, computer animation and engineering. The elements involved in the analysis of human movement are usually measurement equipments for estimating kinematic, kinetic and myoelectric variables, mathematical models of the human musculoskeletal system, and mathematical methods for calculating the variables which cannot be directly measured. The aim of this thesis is to advance in the knowledge of four aspeets of the three-dimensional analysis of the human movement: 1) the motion reconstruction of human movements using large and medium-size skeletal models with open- and closed-loops, 2) two problems inherent to optoelectronic motion capture systems: the missing marker problem and the impossibility of measuring completely the motion of some bones which move under the skin, 3) the estimation of subject-specific parameters using only a motion capture system, and 4) the development of several human skeletal models suitable for analysing different vehicle-related motions. The motion reconstruction problem using human skeletal models defined with natural coordinates is formulated as a nonlinear constrained optimisation problem with equality constraint equations. The main contribution of this thesis is a new optimisation method for solving the motion reconstruction problem. The new optimisation method can reconstruct the motion of large-size human skeletal model-s with open- and closed-loops defined with natural coordinates and it can also handle redundant constraints. Four new strategies have been proposed for solving the two problems inherent to optoelectronic motion capture systems addressed in this thesis. The four strategies have been evaluated using experimental motion data with satisfactory results. These strategies enable a more robust reconstruction of the human movement. The subject-specific parameters are estimated using methods based on the measurement of anatomical landmarks. Furthermore, a new measurement protocol for measuring the anatomical landmarks and a new methodoloqy for estimating all subject-specific parameters from the measured anatomical landmarks are proposed. Three human skeletal models have been developed for studying driving manoeuvres: one upper body model with a detailed model of the shoulder complex and another upper body model with a simplified model of the shoulder complex for studying steering manoeuvres and one right lower limb model for studying braking manoeuvres. Additionally, a human skeletal
