Application of multibody dynamics techniques to the analysis of human gait

• Autores: Rosa Pàmies Vilà
• Directores de la Tesis: Josep Maria Font Llagunes (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2012
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: József Kövecses (presid.), Jerome Bernard Noailly (secret.), Miguel Tavares Silva (voc.)
• Materias:
  • Ciencias de la vida
    • Biofísica
      • Biomecánica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen

  • La tesi que es presenta tracta l’estudi cinemàtic i dinàmic de la marxa humana mitjançant tècniques de dinàmica de sistemes multisòlid. Per a aquest propòsit, s’utilitzen dos models biomecànics: un model pla format per 11 segments i 14 graus de llibertat i un model tridimensional format per 18 segments i 57 graus de llibertat. La formulació dinàmica multisòlid ha estat desenvolupada en coordenades mixtes (naturals i relatives). La marxa de l’individu s’enregistra al laboratori utilitzant un sistema de captura del moviment mitjançant el qual s’obté la posició de cadascun dels 37 marcadors situats sobre el cos del subjecte. Les dades de posició es filtren utilitzant un algorisme basat en el singular spectrum analysis (SSA) i les coordenades naturals del model es calculen mitjançant relacions algebraiques entre les posicions dels marcadors. Posteriorment, un procés de consistència cinemàtica assegura les restriccions de sòlid rígid. El processament cinemàtic continua amb l’aproximació de les posicions mitjançant corbes B-spline d’on se n’obtenen, per derivació analítica, els valors de velocitat i acceleració. En una anàlisi dinàmica inversa de la marxa humana, s’acostumen a utilitzar com a dades d’entrada els paràmetres antropomètrics (geomètrics i inercials) dels segments, les dades cinemàtiques i les mesures de les plaques de força. En contraposició al que fan la majoria d’autors, en aquesta tesi, les mesures de les plaques de força no són utilitzades directament en l’anàlisi sinó que només s’usen per solucionar el problema del repartiment del torsor resultant de les forces de contacte durant la fase de doble suport. En aquesta fase, els dos peus es recolzen sobre el terra i les mesures cinemàtiques són insuficients per determinar el torsor en cada peu. El nou mètode de repartiment que es proposa (anomenat contact force plate sharing, CFP) és una de les aportacions de la tesi i destaca pel fet que permet determinar un conjunt de forces i moments dinàmicament consistents amb el model biomecànic, sense haver de modificar-ne les coordenades cinemàtiques ni afegir forces o moments residuals en algun dels segments. Encara dins l’àmbit de l’estudi dinàmic invers, s’ha analitzat la sensitivitat dels parells articulars a errors comesos en estimar els paràmetres antropomètrics, a errors que poden contenir les mesures de les plaques de força i a errors que es poden cometre en el processament cinemàtic de les mesures. L’estudi permet concloure que els resultats són molt sensibles als errors cinemàtics i a les forces mesurades per les plaques, sent els errors en els paràmetres antropomètrics menys influents. La tesi també presenta un nou model tridimensional de contacte peu-terra basat en el contacte esfera-pla i els seus paràmetres s’estimen mitjançant dos enfocaments diferents basats en tècniques d’optimització. El model s’utilitza com un mètode alternatiu per solucionar el problema del repartiment durant la fase de doble suport en dinàmica inversa, i també s’utilitza en simulacions de dinàmica directa per estimar les forces de contacte entre el model biomecànic i el seu entorn. En l’anàlisi dinàmica directa és necessària la implementació d’un controlador que està basat, en aquest cas, en el filtre de Kalman estès. Les contribucions més importants de la tesi, en el cas de l’anàlisi dinàmica inversa, es centren en el mètode CFP i en l’ús del model de contacte per solucionar el repartiment de forces de contacte en la fase de doble suport. Referent a l’anàlisi de la influència dels errors en les dades d’entrada del problema dinàmic invers, la modelització estadística dels errors conjuntament amb la pertorbació conjunta de més d’un paràmetre antropomètric a la vegada (mantenint constant l’alçada i el pes de la persona) és també una novetat. Per altra banda, el model de contacte presentat és també una contribució original. En l’estat de l’art actual no es troben models que usin dades reals capturades al laboratori i que a la vegada s’utilitzin per solucionar el problema de repartiment en el doble suport i per simular el contacte peu-terra en una anàlisi dinàmica directa. Finalment, el fet de desenvolupar un model que s’utilitzi tant per a l’anàlisi dinàmica directa com inversa és també una de les aportacions d’aquesta tesi. Tot i que les dues anàlisis, per separat, són temes de recerca comuns en l’àmbit de la Biomecànica, es troben a faltar estudis que comprovin la validesa dels resultats que se n’obtenen. En aquesta tesi, els resultats de la dinàmica inversa s’han utilitzat com a dades d’entrada de l’anàlisi dinàmica directa, el resultat de la qual (el moviment) ha pogut ser comparat amb el que s’obté de la captura del laboratori (entrada de la dinàmica inversa). D’aquesta manera, el cercle es tanca i es pot verificar la validesa tant dels models com dels resultats obtinguts.