Modellierung und biomechanische Simulation von Körperhaltungen mit Hilfe des AnyBody Menschmodells
Die altersdifferenzierte Modellierung und biomechanische Simulation von Körperhaltungen sowie Bewegungen bei der Arbeit mit einem großflächigen berührungssensitiven Bildschirm stellt den Forschungsschwerpunkt des hier beschriebenen Forschungsvorhaben dar. Fokus der Arbeiten ist insbesondere die altersdifferenzierte Erweiterung des AnyBody Menschmodells (Rasmussen et al. 2001, AnyBody Technology) zur altersspezifischen Bestimmung muskulärer Beanspruchung.
Dazu wurden in einem ersten Schritt Körperhaltungen, Greifräume und das Komfortempfinden bei der Ausführung von Zeigebewegungen an einem großflächigen berührungssensitiven Bildschirm in einer empirischen Studie altersdifferenziert analysiert (siehe Projektbericht März).
In einem zweiten Schritt wurden nun die so ermittelten Körperhaltungen mit dem AnyBody Menschmodell modelliert sowie mit Hilfe inverser Kinematik biomechanisch simuliert. Für unterschiedliche Körperhaltungen bzw. Pointing-Positionen auf dem großflächigen Bildschirm konnte so die muskuläre Beanspruchung ermittelt werden.
Modellierung verschiedener Körperhaltungen bei der Ausführung von Pointing-Aufgaben an einem großflächigen berührungssensitiven Bildschirm
Als Ausgangsmodell für die Modellierung wurde ein bereits validiertes sitzendes Menschmodell mit über 500 Muskeln verwendet und auf das Anwendungsbeispiel angepasst. So wurden Umgebungselemente, wie ein Stuhl und Tisch, in CAD modelliert, visualisiert und in das Modell als Mehrkörper-System integriert. Das so angepasste Menschmodell ermöglicht keine altersdifferenzierte Modellierung, so dass die Analysen bisher nur altersunabhängig vorgenommen werden konnten.
Zur Analyse der muskulären Beanspruchung wurde zwischen vier verschiedenen Pointing-Positionen (oben links, oben mitte, mitte links und mitte mitte) auf dem Bildschirm, bzw. entsprechenden Körperhaltungen bei der Ausführung der Pointing-Aufgaben, differenziert. Als weitere experimentelle Variabel wurde, entsprechend der durchgeführten empirischen Studie, die Position des Bildschirms in 3 Stufen (Neigungswinkel: 0°, 8°, 16°) variiert und analysiert.
Die bei einer Positionierung des Endeffektors im oberen linken Arbeitsbereich des Bildschirms (Pointing-Position „oben links“) durch inverse Kinematik berechnete Körperhaltung des AnyBody Menschmodells ist in Abbildung 1 visualisiert. Dargestellt sind die jeweiligen Körperhaltungen des Modells für alle drei Neigungswinkels des Bildschirms (0°, 8° und 16°).
Abbildung 1: Grafische Darstellung des AnyBody Modells bei einer Positionierung des Endeffektors im oberen linken Arbeitsbereich bezüglich der drei Neigungswinkel des Displays
Zur Analyse dieser vom Modell ausgegebenen Körperhaltungen, im Bezug zu den in der empirischen Studie von den Probanden eingenommenen Körperhaltungen, wurden die Gelenkwinkel des Models sowie der Probanden bestimmt. Die Ergebnisse der qualitativen Analysen zeigen, dass das AnyBody Menschmodell eine natürliche Körperhaltung, ähnlich der der jungen Probanden einnimmt, während die älteren Probanden andere Körperhaltungen (abweichende Gelenkwinkel) eingenommen haben.
Biomechanische Simulation der verschiedenen Körperhaltungen zur Bestimmung der muskulären Beanspruchung
Ausgehend von den Körperhaltungen des Modells wurde in einem nächsten Schritt basierend auf dem Optimierungskriterium „der minimalen Beanspruchung“ die Muskelaktivierung für die verschiedenen Ponting-Positionen sowie Neigungswinkel des großflächigen Bildschirms bestimmt.
Die nach inverser Dynamik ermittelten beanspruchten Muskeln des Modells, für die Pointing-Position „oben links“ und einem Neigungswinkel von 0°, sind in Abbildung 2 dargestellt. Muskeln, welche bei der Körperhaltung starke Kräfte aufbringen müssen, wurden durch das System entsprechend farblich als auch volumetrisch hervorgehoben. Die Visualisierung lässt so erste Schlüsse zu, welche Muskeln bei dieser Körperhaltung besonders aktiviert bzw. beansprucht werden.
Abbildung 2: Grafische Darstellung des AnyBody Modells für die Pointing-Position „oben links“ und einem Neigungswinkel von 0°
Ergebnisse der biomechanischen Simulation
Als Beanspruchungsindikator betrachtet das AnyBody Menschmodell die relative Muskelaktivität, d.h. die Muskelkraft in Bezug zur definierten Maximalkraft eines Muskels. Wobei eine hohe Muskelaktivität als unkomfortabel zu interpretieren ist (Rasmussen et al., 2003).
Für eine erste Analyse kann die „maximale Muskelaktivität“ als Beanspruchungsindikator herangezogen werden. Die prozentuale maximale Muskelaktivität für die vier untersuchten Pointing-Positionen bzw. Körperhaltungen bei einem Neigungswinkel des Bildschirms von 0° ist in Abbildung 3 dargestellt. Die höchste „maximale Muskelaktivität“ von 59% wurde für die Poiting-Position im oberen linken Bildschirmbereich ermittelt. Der Benutzer bzw. das Modell muss hier eine extreme Körperhaltung einnehmen, welche insbesondere die Muskeln im oberen linken Schulter-Arm Bereich beansprucht. Die niedrigste „maximale Muskelaktivität“ von 24,1% lag für die Pointing-Position „mitte mitte“ vor. Hier konnte das Modell bzw. der Benutzer eine relativ gerade Körperhaltung bei der Ausführung der Pointing-Aufgabe einnehmen (vergleiche Abbildung 3).
Abbildung 3: Maximale Muskelaktivität für die vier verschiedene Pointing Positionen bzw. entsprechenden Körperhaltungen
Die Ergebnisse einer genauen Analyse der entsprechend aktivierten Muskelpartien des linken Schulter-Armbereichs für die Pointing-Position „oben links“ sind in Abbildung 4 grafisch dargestellt. Abgetragen ist die Muskelkraft in Bezug zur definierten Maximalkraft des Muskels. Einzelne Muskelkomponenten, die zusammen einen größeren Muskel bilden, sind in gleicher Farbe dargestellt. Der bei der eingenommenen Körperhaltung des Modells maximal beanspruchte Muskel ist der Latissimus dorsi mit einer aufzubringenden Kraft von 90 N, was 59% der hinterlegten Maximalkraft des Muskels entspricht.
Abbildung 4: Muskelaktivitäten im linken Schulter-Armbereich für die Pointing-Position oben links und einem Neigungswinkel von 0°
Literatur
[AnyBody Technology] AnyBody Technology. Zugriff am 28.02.2011: http://www.anybodytech.com/
[Rasmussen et al., 2001] Rasmussen, J., Damsgaard, M., Voigt, M.: Muscle recruitment by the min/max criterion – a comparative numerical study. Journal Biomechanics 34 2001
[Rasmussen et al., 2003] Rasmussen, J., Dahlquist, J., Damsgaard, M., de Zee, M., Christensen, ST.: Musculoskeletal
Modeling as an Ergonomic design Method. IEA Proceedings, 2003
Den Bericht für Märzr finden Sie hier: http://blog-becker-stiftung.de/?p=2855
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