Biomechanics and optimal control simulations of the human upper extremity

This work establishes a connection between a recently developed optimal control simulation method and biomechanical modelling aspects of muscle actuated human motion at the example of the human upper extremity. The goal is to provide a method that enables the investigation of human motion modelled as multibody dynamics and the solution of upcoming optimal control problems with physiologically motivated objective functions. A method like this is especially useful to improve prostheses or the performance of athletes. Moreover, ergonomical questions concerning workplace design or everyday activities can be examined and diagnoses of physicians can be supported, for example to assess relieving postures. Within this topic, optimisation problems occur at two different levels. On the one hand, in biomechanics usually more muscles are involved to actuate a joint than degrees of freedom are present, which is commonly referred to as redundancy. On the other hand, there is an infinite number of possibilities to perform a motion between two given states. The presented approach combines both optimisation problems by including muscle actuation in the optimal control problem formulation. A large variety of numerical examples is presented, dealing with typical motions of the human upper extremity. The implementation of the rigid body actuation thereby comprises models with complete joint torque or complete muscle actuation as well as mixed systems. Optimal control simulations of grasping motions are examined with the human finger model and the results are exemplarily compared to literature and motion capturing experiments. Further simulations with the human arm model cover steering, weight lifting, ergonomics of workplace motions and sports motions.

Die vorliegende Arbeit stellt eine Verbindung zwischen einem kürzlich entwickelten Verfahren zur Optimalsteuerungssimulation von Mehrkörpersystemen und biomechanischen Modellierungsaspekten der oberen Extremität des Menschen her. Das Ziel liegt in der Bereitstellung einer Methode, die die Untersuchung menschlicher Bewegungen mit Modellen der Mehrköperdynamik erlaubt und die Lösung auftretender Optimalsteuerungsprobleme mit physiologisch motivierten Zielfunktionen ermöglicht. Eine solche Methode ist besonders nützlich für die Auslegung von Prothesen oder für Leistungssteigerungen im Sport. Darüber hinaus können auch Fragestellungen im Rahmen der Ergonomie untersucht sowie Mediziner bei der Diagnoseerstellung unterstützt werden, beispielsweise bei der Beurteilung von Schonhaltungen. Im Rahmen dieses Themengebietes treten Optimierungsprobleme auf verschiedenen Ebenen der Simulation auf. Zum einen weisen biomechanische Systeme meist eine Muskelredundanz auf, d.h. es gibt üblicherweise mehr Muskeln, die ein Gelenk aktuieren können, als dieses Gelenk Freiheitsgrade besitzt. Zum anderen gibt es unendlich viele Möglichkeiten, eine Bewegung durchzuführen, von der nur Anfangs- und Endzustände bekannt sind. Beide Probleme können als Optimierungsprobleme verstanden werden. Der vorliegende Ansatz kombiniert beide Probleme durch die Berücksichtigung von Muskelkräften in der Formulierung des Optimalsteuerungsproblemes. Vielfältige numerische Beispiele aus dem typischen Bewegungsspektrum der oberen Extremität zeigen abschließend das Potential dieser neuen Methode. Dabei werden sowohl reine Aktuierungen mit Gelenkmomenten und reine Muskelaktuierungen als auch Systeme mit gemischter Aktuierung betrachtet. Opimalsteuerungssimulationen des Greifens werden anhand eines Fingermodelles untersucht und ein exemplarischer Vergleich der Ergebnisse unter Verwendung der verschiedenen Zielfunktionen erfolgt sowohl mit Literaturwerten als auch mit Motion-Capturing Experimenten. Weitere Simulationen mit dem Armmodell umfassen optimal gesteuertes Lenken, Gewichtheben, Ergonomie von Bewegungen am Arbeitsplatz und Bewegungsabläufe im Sport.