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: