İnsan hareketinin biyomekanik modeli için yer tepki kuvvetlerinin kestirimi
Estimation of ground reaction forces for a biomechanical model of human motion
Yazar: NİHAT ŞÜKRÜ ÖZGÖREN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SERDAR ARITAN
Hacettepe Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Spor Bilimleri ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı / Spor Bilimleri ve Teknolojisi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Spor = Sports
Dizin: Biyomekanik = Biomechanics ; Biyomekanik analiz = Biomechanical analysis ; Biyomekanik modelleme = Biomechanical modelling

Özet:
Bu çalışmanın amacı insan vücudunun alt ekstremitesini temsil eden bir biyomekanik model geliştirmek ve bu model yardımıyla yer tepki kuvvetlerinin (YTK) kestirimidir. Bu amaçla alt ekstremite bağlantılı üyeler katı cisim modeli (BMMS) MATLAB/Simulink ortamında oluşturuldu. Ayak üyeleri ile zemin arasındaki yüzey-temas ilişkisi Simscape/Multibody kütüphaneleri kullanılarak modellendi. Çalışmanın deneysel bölümünde bir katılımcının squat, yürüme ve yüksekten serbest düşerek konma hareketleri VICON optik hareket yakalama sistemi kullanılarak kaydedildi. Kinematik değişkenler Nexus CGM2 modeli kullanılarak hesaplandı ve YTK bir Kistler kuvvet platformu kullanılarak ölçüldü. BMMS'de tanımlanan yüzey-temas parametreleri en iyileştirilerek hareketlerin ters dinamik benzeşimi gerçekleştirildi. Ters dinamik benzeşimle kestirimi yapılan sürtünme (SKk) ve yer tepki kuvvetleri (YTKk), kuvvet platformu ile kaydedilen sürtünme (SKd) ve yer tepki kuvvetleri (YTKd) ile karşılaştırıldı. Çalışmanın son aşamasında BMMS'te izlenen modelleme prensipleri izlenerek OpenSim benzeşim ortamında alt ekstremite kas-iskelet sistemi kuruldu (BMOS). Yürüme hareketi için BMOS'nin ters dinamik benzeşimi gerçekleştirilerek eklem torkları hesaplandı ve BMMS'nin benzeşimiyle hesaplanan değerlerle karşılaştırıldı. Çalışmanın bulguları BMMS'nin YTK değerlerini kuvvetli doğrusal ilişki ile %6'dan az hata ile kestirdiğini ortaya koymakla beraber SK değerlerini kestirmekte yetersiz olduğunu göstermektedir. BMMS ve BMOS'nin benzeşimiyle hesaplanan eklem torklarının genel davranışı benzer olmasına rağmen nicelik bakımından birbirleriyle paralellik göstermemektedir. BMMS'nin, biyomekanik özellikleri ve temas modeli geliştirildiğinde insan hareketinin dinamik benzeşiminde faydalı bir araç olacağı düşünülmektedir.

Abstract:
This study aims to build a biomechanical model of the human body's lower extremity and to estimate ground reaction forces by utilising this model. For this purpose, the linked-segment rigid body model of the lower extremity (BMMS) was built in MATLAB/Simulink. The contact forces between the model's feet and ground were modelled using Simscape/Multibody libraries. In the experimental part of the study, a participant's squat, walking and free-fall landing movements were recorded using the VICON optical motion capture system.  The kinematic variables were calculated using the Nexus CGM2 model, and a Kistler force plate was used to measure the ground reaction forces during the motions. The ground-contact parameters of BMMS were optimised for the inverse dynamics simulation of the motions. The estimated frictional (FFE) and ground reaction forces (GRFE) were compared to the frictional (FFM) and ground reaction forces (GRFM) measured and recorded via the force plate. In the last stage of the study, the lower extremity musculoskeletal system (BMOS) was built in the OpenSim simulation environment following the same modelling principles as BMMS. The joint torques obtained via the inverse dynamics simulations performed in both MATLAB and OpenSim were calculated for the walking motion of the participant. The study's findings showed that BMMS is consistently accurate in estimating GRFM with less than 6% error and strong linear correlation but incapable of estimating the FFM.  The trend in joint torque behaviours, calculated via simulations of BMMS and BMOS, showed similarity but not parallel in magnitude. BMMS is considered a helpful tool in the dynamic simulation of human movement when sufficient development is made in its biomechanical properties and ground-contact model.