Proyecto Fin de Carrera. Estimación de esfuerzos musculares en el movimiento humano mediante técnicas de optimización

Transcripción

1 Proyecto Fin de Carrera Estimación de esfuerzos musculares en el movimiento humano mediante técnicas de optimización Autor: Antonio J. Rodríguez González Tutor: Urbano Lugrís Armesto Febrero 2015

2 ÍNDICE Introducción Modelo dinámico Elementos del modelo Captura del movimiento Variables del modelo Análisis cinemático Análisis dinámico Músculos Modelo muscular Técnicas de optimización Resultados Conclusiones y aplicaciones futuras 2

3 INTRODUCCIÓN Objetivo: Determinar el movimiento Determinar fuerzas que lo producen Posición Velocidad Aceleración Masa, inercia, CDG Dinámica Inversa Estimar esfuerzos musculares que las realizan Optimización 3

4 INTRODUCCIÓN Movimiento estudiado Realización de un modelo polivalente 4

5 MODELO DINÁMICO Elementos del modelo Torso Hombro 4 sólidos Húmero 3 articulaciones Codo Brazo Antebrazo Muñeca Mano 5

6 MODELO DINÁMICO Determinar posición y orientación de los elementos del modelo CAPTURA DEL MOVIMIENTO Cámaras infrarrojas Markers pasivos 6

7 MODELO DINÁMICO Determinar posición y orientación de los elementos del modelo CAPTURA DEL MOVIMIENTO 6

8 MODELO DINÁMICO Criterios para colocar los markers: Definir los sólidos del modelo: mínimo 3 puntos Puntos reconocibles Efecto piel: movimiento relativo entre piel y huesos 7

9 MODELO DINÁMICO Posición de los markers Posición y orientación de los sólidos del modelo Definición de cada sólido mediante coordenadas naturales: 2 puntos + 2 vectores unitarios: húmero y antebrazo 1 punto + 3 vectores unitarios: torso y mano Convención de ejes un sólido: Planos anatómicos Ejes anatómicos 8

10 MODELO DINÁMICO Posición de los markers Posición y orientación de los sólidos del modelo Torso Hombro Codo Muñeca Mano Antebrazo Húmero 9

11 MODELO DINÁMICO Posición de los markers Posición y orientación de los sólidos del modelo Torso Hombro Codo Muñeca Mano Antebrazo Húmero 9

12 MODELO DINÁMICO Posición de los markers Posición y orientación de los sólidos del modelo Torso Hombro Codo Muñeca Mano Antebrazo Húmero 9

13 MODELO DINÁMICO Posición de los markers Posición y orientación de los sólidos del modelo Torso Hombro Codo Muñeca Mano Antebrazo Húmero 9

14 MODELO DINÁMICO Posición de los markers Posición y orientación de los sólidos del modelo Torso Hombro Codo Muñeca Mano Antebrazo Húmero 9

15 MODELO DINÁMICO Posición de los markers Posición y orientación de los sólidos del modelo Torso Hombro Codo Muñeca Mano Antebrazo Húmero 9

16 MODELO DINÁMICO q d = *r codo r mano u h v h u a v a u m v m w m e + 10

17 ANÁLISIS CINEMÁTICO 11

18 ANÁLISIS CINEMÁTICO Es necesario asegurar que se cumplen las condiciones de diseño del modelo, para lo que se definen las ecuaciones de restricción. Problema de consistencia cinemática min f q = q q t W q q φ 1 S. t. φ q = φ 2 φ n = 0 Se obtienen un conjunto de variables consistentes con el comportamiento del modelo. 12

19 ANÁLISIS CINEMÁTICO 13

20 ANÁLISIS CINEMÁTICO Filtrado de datos Sobre variables dependientes Sobre nuevas variables independientes 14

21 ANÁLISIS CINEMÁTICO Variables independientes = posición del hombro + ángulos Definición matrices rotación de cada sistema Ángulos de los pares esféricos Posición relativa del húmero y antebrazo Ángulo de giro del par de revolución 15

22 ANÁLISIS CINEMÁTICO Variables independientes Filtrado SSA Reconstrucción del movimiento φ 1 φ 1 q 1 q n φ m φ m q 1 q n q 1 q n = φ 1 φ n φ n+1 φ m Velocidades Splines z φ qd q d q d = φ qz z z q d Aceleraciones Splines z φ qd q d q d = (φ q z z + φ q q ) q d 16

23 Par (N m) ANÁLISIS DINÁMICO Resolución de la dinámica inversa: matriz R Mq + φ q t λ = Q φ(q) = 0 q = Rz q = R z + Rz Q m = R T Mq Q Q m = F m Q h Q C Q m Intervalo de Confianza (95%) Par en el codo Tiempo (s) 17

24 MODELO MUSCULAR Morfología del músculo Modelo de Hill Dinámica de activación muscular 18

25 MODELO MUSCULAR Morfología del músculo Modelo de Hill Dinámica de activación muscular F CE M = F 0M a f l l M f v (v M ) 18

26 MODELO MUSCULAR Morfología del músculo Modelo de Hill Dinámica de activación muscular 18

27 MODELO MUSCULAR Músculos considerados Bíceps Braquial Braquiorradial Tríceps Problema de la redundancia Método de reducción Técnicas de optimización Optimización estática Optimización dinámica Optimización estático-fisiológica 19

28 MODELO MUSCULAR Actuadores musculares Puntos de modelado Origen Guiado Inserción Wrapping 20

29 MODELO MUSCULAR 21

30 MODELO MUSCULAR Ecuación de restricción Brazos de momento Ecuación de restricción M c = 7 i=1 ec i F musc i 22

31 OPTIMIZACIÓN Criterios Criterio Lineal min m i=1 F i w i Criterio Polinómico min m i=1 F i w i p Criterio Min/Max min max F i w i Criterio de Mínima Fatiga max min T i 23

32 Voltaje (v) Voltaje (v) Voltaje (v) Voltaje (v) RESULTADOS Electromiografía (EMG) Validar los resultados obtenidos 0.08 EMG Bíceps Tiempo (s) EMG Tríceps Tiempo (s) 0.2 EMG Bíceps (con peso) Tiempo (s) EMG Triceps (con peso) Tiempo (s) 24

33 RESULTADOS Criterio lineal min m i=1 F i w i 25

34 RESULTADOS Criterio Polinómico min m i=1 F i w i p 26

35 RESULTADOS Criterio Min/Max min max F i w i 27

36 RESULTADOS Criterio Mínima Fatiga T i = a i max min T i F i F 0 i 100 p i 28

37 CONCLUSIONES Y APLICACIONES FUTURAS Conclusiones Obtención de un modelo del brazo polivalente Análisis de los criterios de optimización Aplicaciones futuras Introducir nuevas técnicas de optimización Incorporar un modelo del hombro Ampliación del modelo con más músculos Completar modelos de marcha humana Posibilitar el diseño de órtesis para el brazo Estudiar cualquier movimiento del brazo 29