An object-oriented model of the human lower extremity for inverse and forward dynamic simulation of human gait [Elektronische Ressource] / von Daniel Strobach

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• Publié par: universitat_duisburg-essen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 21
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 18 Mo

Extrait

An object-oriented model of the human
lower extremity for inverse and forward
dynamic simulation of human gait
Von der Fakult¨at fu¨r Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau der
Universit¨at Duisburg-Essen
zur Erlangung des akademischen Grades
DOKTOR-INGENIEUR
genehmigte Dissertation
von
Daniel Strobach
aus
Geldern
Referent: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Andr´es Kecskem´ethy
Korreferent: Univ.-Prof. Frans C. T. van der Helm
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 17.08.2009234567
Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand gr¨oßtenteils w¨ahrend meiner T¨atigkeit als wissen-
schaftlicher Assistent am Lehrstuhl Mechanik der Universit¨at Duisburg-Essen. Mein
besonderer Dank gilt Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Andr´es Kecskem´ethy fu¨r seine Un-
terstu¨tzung und die M¨oglichkeit zur Arbeit auf diesem außerordentlich interessanten
Gebiet der Biomechanik sowie Herrn Univ.-Prof. Frans C. T. van der Helm fu¨r die
Erstellung des Zweitgutachtens zu dieser Arbeit. Weiterhin m¨ochte ich mich bei der
Abteilung fu¨r Kinderchirurgie der Universit¨atsklinik Graz bedanken, die meine Arbeit
stets mit Interesse verfolgt und die ben¨otigte Datenbasis zur Verfu¨gung gestellt hat.
Allen meinen ehemaligen Kollegen am Lehrstuhl fu¨r Mechanik und Robotik danke ich
fu¨rdie angenehme Zusammenarbeit. Zubesonderem Dankbin ichHerrnDr.-Ing.Mar-
tin T¨andl verpflichtet, der mich insbesondere bei der L¨osung programmiertechnischer
Fragestellungen ohne Beru¨cksichtigung der Tageszeit unterstu¨tzt hat.
Keine Dissertation gelingt, wenn nicht das private Umfeld ebenfalls bereit ist, Opfer
zu bringen. In diesem Zusammenhang kann ich weder meiner Fraunoch meinen Eltern
genug danken fu¨r ihre Geduld, ihre Unterstu¨tzung, die richtigen Worte zur richtigen
Zeit und gelegentlich auch den beru¨hmten Tritt in den Hintern.
Geldern, im Januar 2010 Daniel Strobach8Contents
1 Introduction 1
1.1 Background and motivation of the presented work . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Literature survey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Thesis objectives and outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Remarks on mathematical notations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.1 Vector notation, matrices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.2 Coordinate systems and transformations . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.3 Functions and derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Basic notions 16
2.1 Basic notions of gait motion and anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.1 Characteristic quantities and basic functionalities of gait . . . . 17
2.1.2 General skeletal structure of the lower extremity . . . . . . . . . 19
2.1.3 Joints of the human lower extremity . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.4 Muscle structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2 Fundamentals of mathematical optimization . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.1 Major subfields and techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.2 Optimality conditions for constrained optimization . . . . . . . 34
2.2.3 Quadratic programming with constraints . . . . . . . . . . . . . 37
iii Contents
2.2.4 The applied optimization routine . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 Multibody dynamics using kinetostatic transmission elements 44
3.1 The notion of the kinetostatic transmission element . . . . . . . . . . . 45
3.1.1 Transmission elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.2 State objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.3 Assembly of mechanical systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1.4 Computation of Jacobians . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.5 Object oriented implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2 Dynamics by virtue of kinetostatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.1 Force and inertia objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.2 Generation of dynamic equations . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
a a
3.2.3 Numerical integration in Ma aBILE . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4 Kinetostatic model of the human lower extremity 56
4.1 Patient-specific kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.1 Gait laboratory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.2 Marker placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.3 Simplified mathematical description of segmental kinematics . . 58
4.1.4 Relative kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.1.5 Resultant data sets and limitations, postprocessing . . . . . . . 67
4.2 Additional measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.1 Force plate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.2 Electromyography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3 Segmental inertia properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3.1 Estimation strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72