An alternative scheme for determination of joint reaction forces in human multibody models

• Autorzy: Blajer W. , Czaplicki A.

Warianty tytułu

PL

Alternatywny sposób wyznaczania reakcji w stawach wieloczłonowych modeli ciała człowieka

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Multibody models are commonly used in the analysis of human movements. The dynamic formulations often use minimal sets of generalized coordinates, and joint reactions (non-working reactions of model-intrinsic constraints) are excluded from evidence. A separate modeling effort is then required to determine joint reactions, and the arising numerical procedures are computationally arduous. In this paper, a novel efficient approach to the determination of joint reactions is developed, which naturally assists the minimal-form formulations of human body dynamics. The proposed scheme does not involve matrix inversion, and as such it is well suited for both symbolic manipulations and computer implementations. The method is illustrated with a seven-segment planar model of a human body. Some results from the inverse dynamics simulation of somersaults on a trampoline are reported.

PL

Wieloczłonowe modele ciała człowieka są powszechnie wykorzystywane do analizy czynności motorycznych. Dla sformułowań dynamiki tych modeli stosowane są zwykle niezależne współrzędne uogólnione, co powoduje, że reakcje w połączeniach (idealne reakcje więzów wewnętrznych) są eliminowane na wstępnym etapie modelowania. Dla ich określenia wymagane są dodatkowe procedury modelowania matematycznego, a generowane tą drogą zależności charakteryzują się niską efektywnością numeryczną. W niniejszej pracy proponowane jest nieco inne podejście do wyznaczania reakcji w stawach, w sposób naturalny skojarzone z minimalno-wymiarowym formułowaniem dynamiki wieloczłonowych modeli ciała człowieka. Proponowane sformułowania nic wymagają odwracania macierzy, są tym samym efektywne zarówno dla wyprowadzeń symbolicznych, jak i zastosowań numerycznych. Metoda zilustrowana jest za pomocą siedmioczłonowego płaskiego modelu ciała człowieka. Prezentowane są wybrane wyniki obliczeń numerycznych odnoszące się do symulacji dynamicznej odwrotnej sportowca wykonującego salto na trampolinie.

Słowa kluczowe

EN

human body modeling; dynamic analysis; joint reaction forces

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 43 nr 4
• Strony: 813--824
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys.

Twórcy

autor

Blajer W.

• Institute of Applied Mechanics, Technical University of Radom

autor

Czaplicki A.

• Department of Biomechanics, External Faculty of Physical Education in Biaªa Podlaska, Academy of Physical Education in Warsaw

Bibliografia

• 1. Ben-Israel A., Greville T.N.E., 1980, Generalized Inverses: Theory and Applications, Robert E. Krieger Publishing Company, Huntington, New York
• 2. Bergman G., Deuretzenbacher G., Heller M., Graichen F., Rohlmann A., Strauss J., Duda G.N., 2001, Hip contact forces and gait patterns from routine activities, Journal of Biomechanics, 34, 859-871
• 3. Blajer W., 2001, A geometrical interpretation and uniform matrix formulation of multibody system dynamics, ZAMM, 81, 247-259
• 4. Blajer W., Czaplicki A., 2001, Modeling and inverse simulation of somersaults on the trampoline, Journal of Biomechanics, 34, 1619-1629
• 5. Eberhard P., Spgele T., Gollhofer A., 1999, Investigations for the dynami cal analysis of human motion, Multibody System Dynamics, 3, 1-20
• 6. Garcia de Jalón J., Bayo E., 1993, Kinematic and Dynamic Simulation of Multibody Systems: The Real-time Challenge, Springer, New York
• 7. Kane T.R., Levinson D.A., 1985, Dynamics: Theory and Applications, McGraw-Hill, New York
• 8. Komistek R.D., Stiehl J.B., Dennis D.A., Paxson R.D., Soutas-Little R.W., 1998, Mathematical model of the lower extremity joint reaction for ces using Kane's method of dynamics, Journal of Biomechanics, 31, 185-189
• 9. Langer F.D., Hemami H., Brown D.B., 1987, Constraint forces in holonomic mechanical systems, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 62, 255-274
• 10. Lesser M., 1992, A geometrical interpretation of Kane's equations, Proceedings of the Royal Society of London, A 436, 69-87
• 11. McNitt-Gray J.L., Hester D.M.E., Mathiyakom W., Munkasy B.A., 2001, Mechanical demand and multijoint control during landing depend on orientation of the body segments relative to the reaction force, Journal of Biomechanics, 34, 1471-1482
• 12. Nikravesh P.E., 1988, Computer-Aided Analysis of Mechanical Systems, Price-Hall, Enlewood Clis
• 13. Pandy M.G., 2001, Computer modelling and simulation of human movement, Annual Review of Biomedical Engineering, 3, 245-273
• 14. Schiehlen W., 1997, Multibody system dynamics: roots and perspectives, Multibody System Dynamics, 1, 149-188
• 15. Tisell C., 2000, Integration of Database Technology and Multibody System Analysis, Doctoral Thesis, Department of Machine Design, Royal Institute o Technology, Stockholm, Sweden
• 16. Tozeren A., 2000, Human Body Dynamics: Classical Mechanics and Human Movement, Springer, New York
• 17. Wismans J.S.H.M., Janssen E.G., Beusenberg M., Koppens W.P., Lupker H.A., 1994, Injury Biomechanis, Course notes, Faculty of Mechanical Engineering, Eindhoven University of Technology, Endhoven
• 18. Yamaguchi G.T., 2001, Dynamic Modeling of Musculoskeletal Motion, Kluwer, Norwell, Massachusetts