Research Information System
22. Uluslararası Spor Bilimleri Kongresi, Ankara, Turkey, 21 - 24 November 2024
This study aims to build a biomechanical simulation model of the human body’s lower extremity (BM) and to estimate ground reaction forces (GRFs) that are generally measured using force plates by utilising this model. For this purpose, a three-dimensional (3D) linked-segment rigid body model of the lower extremity comprising 7 segments (feet, legs, thighs and pelvis) was built in MATLAB/Simulink. Upper extremity movements were neglected in the model, and the upper extremity mass was added to the pelvis as a point mass. The contact between the model’s feet and the ground was modelled using spring-damper elements (Spatial Contact Force) in Simscape/Multibody libraries. In the experimental part of the study, a participant’s squat, walking, running, active jump and drop-landing movements were recorded using the VICON optical motion capture system. The chosen movements are motions in which both feet contact the ground simultaneously; one foot is in contact while the other is not, and sudden impact occurs between the contact surface and the feet. The kinematic variables were calculated using the CGM2 model in the VICON/Nexus library. Two AMTI force plates were used to measure the GRFs during the motions. The contact parameters defined in BM were optimised using MATLAB’s Parameter Estimation Toolbox. The sum squared error between measured and estimated pelvis translations was minimised via the nonlinear least square method. The outputs of the parameter estimation procedure were optimised spring stiffness, damping, transition region width, critical velocity, and coefficient of static and dynamic friction. The inverse dynamic simulations of the motions were performed using optimised contact parameters. In these simulations, the pelvis translations were calculated depending on the predicted GRFs during the foot contact following a forward dynamics approach. Therefore, the pelvis position recorded via motion capture and measured GRFs were compared with the pelvis position and the GRFs predicted by the model via forward dynamics simulation to evaluate the model’s accuracy in estimating movement and to validate the foot contact model. With the optimised contact parameters, the BM calculated the pelvis position in three axes with an average error of 0.04 m (9.8%). The average linear correlation coefficient between measured and estimated 3D pelvis position is 0.94. While BM predicts the vertical axis component of GRF with an average error of 5.7%, a strong positive linear relationship is obtained between the measured and estimated values (R: 0.92). The average error in frictional forces was 80%; however, a positive linear relationship was obtained in the measured and estimated mediolateral and anteroposterior components of the GRF (R: 0.55). The larger errors in the 3D pelvis position and GRFs were observed during the motions involving impacts where the contact occurs in a relatively shorter time. Consequently, the BM is evaluated as insufficient in predicting the frictional forces, but it succeeded in estimating the vertical component of GRF with the current modelling approach and optimisation procedure. BM is considered a promising, helpful tool in the dynamic simulation of human movement when its biomechanical properties and contact model are improved.
Bu çalışmanın amacı insan vücudunun alt ekstremitesini temsil eden bir biyomekanik benzeşim modeli (BM) geliştirmek ve genelde kuvvet platformu kullanılarak ölçülen yer tepki kuvvetlerinin (YTK) bu model yardımıyla hesaplanmasıdır. Bu amaçla MATLAB/Simulink ortamında insan vücudunun alt ekstremitesini temsil eden, 7 üyeden oluşan üç boyutlu (3B) bağlantılı üyeler (ayaklar, altbacaklar, üstbacaklar ve pelvis) katı cisim modeli oluşturuldu. Modelde üst ekstremite üyelerinin hareketi ihmal edilerek üst ekstremite kütleleri nokta parçacık olarak kabul edildi ve pelvis kütle merkezine eklendi. Ayak üyeleri ile zemin arasındaki yüzey-temas ilişkisi Simscape/Multibody kütüphanelerinde bulunan yay-damper elemanları (Geometrik Temas Kuvveti) kullanılarak modellendi. Çalışmanın deneysel bölümünde bir katılımcının squat, yürüme, koşma, aktif sıçrama ve yüksekten düşerek konma hareketleri VICON optik hareket yakalama sistemi kullanılarak kaydedildi. Seçilen hareketler iki ayağın da aynı anda zeminle temas ettiği, bir ayak temas halindeyken diğerinin salınımda olduğu ve ayak üyeleri ile zemin yüzeyi arasında ani çarpışmanın gerçekleştiği hareketlerdir. Hareketlere ait kinematik değişkenler VICON/Nexus kütüphanesinde bulunan CGM2 modeli kullanılarak hesaplandı. İki adet AMTI kuvvet platformu kullanılarak hareketler sırasında ayaklara etki eden YTK’lar ölçüldü. BM’de tanımlanan yüzey-temas parametreleri her bir hareket için MATLAB Parametre Kestirim Aracı kullanılarak en iyileştirildi. Doğrusal olmayan en küçük kareler yöntemiyle pelvis üyesinin ölçülen öteleme miktarıyla BM tarafından hesaplanan öteleme değerleri arasındaki farkların kareleri toplamı minimize edildi. En iyileştirme sonucunda yay sertliği, damper sönümleme katsayısı, geçiş bölgesi genişliği, kritik hız, statik ve dinamik sürtünme katsayıları hesaplandı. En iyileştirilen temas parametreleri kullanılarak hareketlerin ters dinamik benzeşimi gerçekleştirildi. Bu benzeşimde model YTK değerlerini tahmin ederek pelvis üyesinin öteleme hareketini ileri dinamik yaklaşımla hesaplamaktadır. Bu nedenle modelin hareketi kestirim başarısını değerlendirmek ve yüzey-temas modelinin doğrulaması için; öncelikle hareket yakalama sisteminden elde edilen pelvis konumu ile modelin ileri dinamik çözümle hesapladığı pelvis konum değerleri, ardından ileri dinamik benzeşimle kestirimi yapılan YTK ile kuvvet platformu kullanılak ölçülen kuvvet değerleri karşılaştırıldı.BM, en iyileştirilen yüzey-temas parametreleri ile pelvis konumunu üç eksende ortalama 0.04 m hata (%9.8) ile hesaplayabilmektedir. Pelvisin ölçülen ve kestirilen 3B konum değişimleri arasındaki ortalama doğrusal korelasyon katsayısı 0.94’tür. BM, YTK’nın dikey eksen bileşenini ortalama %5.7 hata ile kestirirken ölçülen ve kestirilen değerler arasında pozitif kuvvetli doğrusal ilişki elde edilmektedir (R: 0.92). YTK’nın mediolateral ve anteroposterior yönlerdeki bileşenlerinde pozitif doğrusal ilişki elde edilirken (R: 0.55) sürtünme kuvvetlerindeki hata oranı ortalama %80’dir. Pelvisin 3B konumundaki ve YTK’lar arasındaki hataların yüzey temasının kısa sürede gerçekleştiği çarpışma tipi durumlarda ortaya çıktığı gözlenmektedir. Sonuç olarak BM, kullanılan modelleme yaklaşımı ve en iyileştirme algoritmasıyla YTK’nın dikey bileşenini kestirmekte başarılı, sürtünme kuvvetlerini kestirmekte ise yetersiz olarak değerlendirilmektedir. BM’nin biyomekaniksel özellikleri geliştirildiğinde ve temas modeli iyileştirildiğinde insan hareketinin dinamik benzeşiminde faydalı bir araç olacağı düşünülmektedir.