Metody statycznej i dynamicznej optymalizacji w zastosowaniu do rozwiązywania zagadnienia udziałów mięśniowych

• Autorzy: Surowiec, M. , Fraczek, J.

Warianty tytułu

EN

Static and dynamic optimization methods in application to muscle forces sharing problem

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono metodę modelowania mięsniowo-szkieletowego układu ruchu za pomocą techniki układów wieloczłonowych z wykorzystaniem technik optymalizacyjnych, w celu wyznaczenia wartości sił mięśniowych. Techniki te zostaną zaprezentowane na przykładzie analizy układu mięśniowo--szkieletowego stawu barkowego człowieka, jednakże wybrany proces może dotyczyć dowolnego stawu lub całości układu mięśniowo-szkieletowego. Zakres badań obejmuje jeden model fizyczny, w celu rozpoznania wpływu technik optymalizacyjnych na modelowane zjawisko udziałów mięśniowych i określenie kierunku dalszych badań. W pracy przedstawiono i zastosowano model matematyczny mięśnia stosowany w analizach biomechanicznych, uwzględniający charakterystyki statyczne i dynamiczne. Omówiono sposób połączenia układów szkieletowego i mięśniowego. Do modelowania współdziałania mięśni wykorzystano technikę optymalizacyjną bazującą na kryteriach współpracy. Rozpatrywano cztery różne kryteria: liniowe, kwadratowe, łagodnego nasycenia i minimax. Przedstawiono także model układu ruchu na przykładzie stawu barkowego. W wyniku analizy otrzymano charakterystyki pobudzeń i sił mięśniowych dla przypadków statycznych i dynamicznych. We wnioskach przedyskutowano wpływ i różnice wynikające z zastosowanej metody i kryteriów współpracy mięśni.

EN

This work treats of the application of optimization techniques in the muscle force sharing problem for the mechanism of shoulder joint. The method presented here allows to determine active forces and reactions in skeletal as well as muscular systems. These techniques will be presented at the example of musculoskeletal human shoulder joint, but the chosen process may involve any joint or whole musculoskeletal system. The research area includes one physical model to identify the influence of optimization techniques on the phenomenon of interest to determine the muscle force and further research. A skeletal system is represented by the multibody model with rigid links (bones) connected by revolute joints. In this work a model based on the Hill's muscle model is used to represent the muscular system. The model consists of a set of flexible elements, each of which represents either muscle or tendon. Static and dynamic characteristics of the flexible elements are based on the characteristics of muscles/tendons. Static and dynamic optimizations are performed with various optimization criteria. Aforementioned models are used to evaluate the value of the goal function. For the static optimization, four optimization criteria, which are frequently encountered in the literature, are chosen.

Słowa kluczowe

PL

układ mięśniowo-szkieletowy; modelowanie układu ruchu; metoda statystyczna; optymalizacja dynamiczna

• Czasopismo: Pneumatyka
• Rocznik: 2010
• Tom: nr 3
• Strony: 34-39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Surowiec, M.

autor

Fraczek, J.

• Instytut Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, Politechnika Warszawska, ul. Nowowiejska 24, 00-665 Warszawa,

Bibliografia

• 1. Chaffin B., Anderson B.J., Occupation biomechanics. John While & Sons, Inc., 1991.
• 2. Putza R., Pabsta R., Atlas man’s anatomy SOBOTTA. Munchen, 2000.
• 3. Morecki A., Ekiel J., Fidelus K., Bionics of movement. PWNWarszawa, 197l.
• 4. Hill A.V., First and last experiments in muscle mechanics. Cambridge University Press, Cambridge, 1970.
• 5. Zajac F.E., Muscle and tendon:properties, models, scaling, and application to biomechanics and motor control. Crit Rev Biomed Eng, 19, 359-411, 1989.
• 6. Seireg A., Arvikar R., Biomechanical analysis of the musculoskeletal structure for medicine and sports. Hemisphere publishing corporation, 1989.
• 7. Siemieński A., Modelling of force distribution in human musculoskeletal system in dynamical conditions. Ph.D. Thesis, Warsaw, 1991.
• 8. Crowninshield R.D., Brand R.A., A physiologically based criterion of muscle force prediction in locomotion. Journal of Biomechanics, 14, 793-801, 1981.
• 9. Rasmussena J., Damsgaarda M., Voigt M., Muscle recruitment by the minmax criterion - a comparative numerical study. Journal of Biomechanics, 34, 409-415, 2001.
• 10. Silva M.P.T., Ambrosio J.A.C., The effect of different physiological cost functions on the solution of the redundant problem in biomechanics. Multibody dynamics, 2003.
• 11. van der Helm F.C.T., Analysis of the kinematics and dynamic behavior of the shoulder mechanism. Journal of Biomechanics, 27, 527-550, 1994.
• 12. MSC.ADAMS/View, /Solver, Book. MSC Software 2009.
• 13. MATLAB Book. MathWorks 2009.
• 14. Breteler K., Spoor C.W., van der Helm F.C.T., Measuring muscle and joint geometry parameters of a shoulder for modelling purposes. Journal of Biomechanics, 32 1191-1197, 1999.