Biomechanisches Menschmodell

Modellierung und Simulation menschlicher Bewegungen mittels effizienter Vorwärtsdynamiksimulation (und -optimierung)

Überblick

Die Modellierung des zeitveränderlichen, dynamischen Verhaltens des menschlichen Bewegungsapparats führt auf ein hochdimensionales mechanisches Mehrkörpersystem, bestehend aus Teilmodellen für Skelett und Schwabelmassen, Muskeln und Sehnen als redundante Antriebe sowie Optimierungsmodellen zur Simulation der an einer Bewegung beteiligten Muskelgruppen. Im Gegensatz zur Rückwärtssimulation zur Simulation der für eine vorgegebene Bewegung erforderlichen Muskelsteuerungen ist die Vorwärtsdynamiksimulation aufgrund der enorm hohen Komplexität der resultierenden optimalen Steuerungsprobleme bisher nur für vereinfachte Modelle mit einzelnen Gliedmaßen möglich. Ziel des Projekts ist die integrierte Entwicklung neuer Methoden zur effizienten, modularen und objektorientierten, kinetischen Modellierung sowie der Simulation und Steuerung des menschlichen Muskel-Skelett-Apparates mit Optimierungsverfahren, durch die die Vorwörtsdynamiksimulation zur Untersuchung von Bewegungen mit vielen beteiligten Muskelgruppen, die Berücksichtigung allgemeiner Muskelmodelle und allgemeiner Gütekriterien bei der Steuerung redundanter Muskelgruppen in einer bisher nicht erreichten Effizienz ermöglicht wird. Durch die im Projekt geplanten Methoden soll die Voraussetzung für gänzlich neue Perspektiven für Untersuchungen im Bereich der Arbeitswissenschaften, Medizin und Biologie eröffnet werden.

Visualisierung der Ergebnisse für eine menschliche Kickbewegung

Die beiden Videos zeigen die Ergebnisse der Vorwärtsdynamikoptimierung zur Bestimmung der Muskelaktivierungen einer zeitoptimalen menschlichen Kickbewegung, also zur Vorhersage der menschlichen Bewegung (rot entspricht hoher Aktivierung, blau niediriger Aktivierung; in Zeitlupe und in Echtzeit):

Visualisierung der Ergebnisse für eine menschliche Sprungbewegung

Die beiden Videos zeigen die Ergebnisse der Vorwärtsdynamikoptimierung zur Bestimmung der Muskelaktivierungen einer gemessenen menschlichen Sprungbewegung, also zur Analyse der menschlichen Bewegung (rot entspricht hoher Aktivierung, blau niedriger Aktivierung; in Zeitlupe und in Echtzeit):

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Ansprechpartner:

N.N. 

Förderung

Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft seit 2005 (Kennzeichen STR 533/3-1 und 8-1).

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