Modelo biomecánico humano 3D para la determinación de pares articulares mediante dinámica inversa

Abstract

[ENG] In this paper, kinematic and dynamic study of human motion will be studied through multibody dynamics techniques. As part of the multibody dynamics field, a 3D model composed of 18 segments with 57 degrees of freedom will be developed. Both natural and relative mixed coordinates have been used for the multibody formulation. In order to obtain all the necessary data for each segment of the whole human body, we will operate with the OpenSim database. It can find mass, moments of inertia and the position of center of mass of any segment. The natural coordinates of the various segments will be obtained through Blender, either local or global. However, other intermediate programs will be used, such as ParaView and MeshLab, so as to convert the OpenSim data into Blender-compatible data. Also, concerning the relative coordinates, the information of Andrés Valverde Conesa's doctoral thesis will be used, thus obtaining mixed coordinates as link and result of both of them. Concerning the development of the three-dimensional human biomechanical model, several libraries or a set of subroutines will be used, among which we can find the programming languages Fortran and C++, subject to Microsoft Visual Studio. Our aim is developing the necessary software to establish the already mentioned model, as well as a 3D version of it. Once the model is created, we will used Matlab to compare the reaction forces and joint pairs of the model out of the libraries and those obtained by Valverde on his forceplate. The data processing goes on with an approach to the position trajectories using B-spline curves and obtaining, through analytical derivation, the speed and acceleration values. In the Inverse Dynamic Analysis (IDA) of human motion, the parameters of the body segments (geometrical and inertial) and kinematic data are used as input data. [SPA] En este trabajo se presenta el estudio cinemático y dinámico del movimiento humano por medio de técnicas de dinámica de sistemas multicuerpo. En el marco de la dinámica multicuerpo se desarrolla un modelo en 3D formado por 18 segmentos con 57 grados de libertad. La formulación multicuerpo se ha desarrollado en coordenadas mixtas (naturales y relativas). Para obtener todos los datos necesarios de cada uno de los segmentos que formarán el cuerpo humano completo, se dispone de la base de datos OpenSim, en la que podemos encontrar la masa, los momentos de inercia, así como la localización del centro de masas de cada uno de estos segmentos. Las coordenadas naturales de los distintos segmentos se obtienen por medio de Blender, ya sean locales o globales. Sin embargo se hace uso de otros programas intermedios, como son ParaView y MeshLab para convertir los datos obtenidos de OpenSim en datos compatibles con Blender. Por otra parte, para las coordenadas relativas se utiliza la información recogida en la Tesis doctoral de Andrés Valverde Conesa, obteniendo como unión y resultado de ambas, coordenadas mixtas. En lo referente al desarrollo del modelo biomecánico humano tridimensional, se emplean una serie de librerías o conjunto de subprogramas, entre los que se encuentran los lenguajes de programación Fortran y C++, bajo el entorno Microsoft Visual Studio, con objeto de desarrollar el software necesario para establecer el citado modelo, así como la visualización 3D del mismo. Una vez establecido el modelo, nos servimos de Matlab para comparar las fuerzas de reacción y los pares articulares de dicho modelo, determinados con las librerías, con las fuerzas de reacción y pares articulares obtenidas por Andrés en su placa de fuerzas. El procesamiento de datos continúa con la aproximación de las trayectorias de posición utilizando curvas B-spline, obteniéndose, por derivación analítica, los valores de velocidad y aceleración. En el análisis dinámico inverso (IDA) del movimiento humano, los parámetros de los segmentos corporales (geométricos y de inercia) y los datos cinemáticos se utilizan como datos de entrada.