Development and implementation of a biomechanical multibody model for human motion analysis

Abstract

The present Master’s dissertation is comprised in the field of Biomechanics of Human Motion and its main purpose is to develop and implement a two-dimensional computational multibody model on the MATLAB software, to analyze the dynamic behavior of the human body and its interaction with the surrounding environment. A multibody model of the right side of the human body is developed, with the objective of performing a dynamic analysis of the human gait, in which kinematic and kinetic data are prescribed, and all degrees-of-freedom are guided. The developed model is described under the multibody systems formulation, using cartesian coordinates, and the trajectories of the bodies that guide the biomechanical model, as well as the external applied forces were obtained from experimental data acquisition. The contact modeling is, then, considered for the foot-ground interface, and two application examples are described and discussed. The first application example concerns a simulation of a simple leg motion, generated by the action of the gravitational force, and aims to validate the methodologies of contact geometry definition and contact detection. The second application example is presented for studying the foot-ground contact in human gait. This interaction is geometrically defined by circles positioned at specific locations on the foot plantar surface, and a plane, describing the ground. The contact is detected based on the relative interpenetration of the surfaces, and appropriate constitutive laws associated with the normal and tangential forces developed during the contact are applied. After a manual parameter adjustment method, an optimization process is implemented to obtain the most suitable values for the geometric and contact parameters of the proposed model. Finally, the results obtained from computational and experimental analysis are compared, with the aim of validating the proposed approach. The final foot-ground contact model presents good overall results for the vertical and tangential contact forces and for the center-of-pressure position.

A presente dissertação de Mestrado insere-se no domínio da Biomecânica do Movimento Humano e o seu principal objetivo é desenvolver e implementar um modelo computacional multicorpo bidimensional, em MATLAB, tendo em vista a análise do comportamento dinâmico do corpo humano e da sua interação com o ambiente envolvente. Com o objetivo de realizar uma análise dinâmica da marcha humana, na qual os dados cinemáticos e cinéticos são prescritos e todos os graus-de-liberdade são guiados, é desenvolvido um modelo multicorpo do lado direito do corpo humano. O modelo é descrito sob a formulação de sistemas multicorpo, utilizando coordenadas cartesianas. As trajetórias dos corpos que guiam o modelo, bem como as forças externas nele aplicadas foram obtidas através da aquisição de dados experimentais. Adicionalmente, a modelação do contacto é aplicada à interface pé-solo, sendo descritos e discutidos dois exemplos de aplicação. O primeiro exemplo de aplicação diz respeito a uma simulação de um movimento simples da perna, gerado pela ação da força gravítica, e tem como objetivo validar as metodologias de definição da geometria e de deteção de contacto. O segundo exemplo de aplicação é apresentado para estudar o contacto pé-solo na marcha humana. Esta interação é definida geometricamente por círculos posicionados em localizações especificas na superfície plantar do pé, e por um plano que descreve o solo. O contacto é detetado com base na pseudo-penetração das superfícies, e são aplicadas leis constitutivas associadas às forças normal e tangencial desenvolvidas no contacto. Após um ajuste manual dos parâmetros, é implementado um processo de otimização para obter os valores mais adequados dos parâmetros geométricos e de contacto do modelo proposto. Por fim, os resultados obtidos das análises computacional e experimental são comparados, com o objetivo de validar esta abordagem. O modelo de contacto pé-solo final apresenta bons resultados gerais para as forças de contacto vertical e tangencial, assim como para a posição do centro de pressão.