Simulation of upper limb motion considering Applied forces by muscles as parameters

The computational modelling and simulation of the motion and gait of human beings have been employed for many years in medicine and physiotherapy in several aspects such as, aid in surgeries, amputee treatments, as well as in many other activities performed by professionals of the health area. However, most of the systems based on this technology do not present the main characteristics to prosthesis training, for example, the simulation of limb motion responding to forces applied by the muscles. Therefore, this work has the objective of investigating computational techniques that e±ciently support the simulations cited above, and also to provide an intuitive interface for manipulation of the necessary parameters in this type of system to the health professional and Biomedical engineering. A study of biomechanics principles is presented emphasizing the muscles, joints and bones (considered in this work as a generic class library) related to the human upper limb motion, associated to the necessary equations of the static equilibrium analysis for the human body. Besides, it is presented a study on the main modelling and simulation systems of the human body limbs available in the scientific area. Considering these studies, it has been defined the limitations of the existing systems in terms of simulation by runtime muscle forces and then, to consider a system that allows to the musculoskeletal modelling and the simulation of upper limb motion answering the changes of the forces values applied by the muscles in execution time of the motion. In order to provide an interface with high level of interaction, Virtual Reality techniques had been investigated in the development of the system. The necessary parameters for the motion simulation are obtained by objects of interface or from a file that contains values of forces applied by the muscles in known time interval. After a set of experiments, it was observed that the system allows the changing of value of applied forces by muscles during the motion simulation as well as user interaction with human upper limb model, being able to evaluate from di®erent points of view, the e®ect of applied forces by muscles of the modelled limb.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorMestre em CiênciasA modelagem e simulação computacional do movimento e da postura de seres humanos vem sendo empregados há muitos anos na medicina e fisioterapia em vários aspectos tais como, auxílio em cirurgias, reabilitação de deficientes físicos, bem como em muitas outras atividades desempenhadas por profissionais da área de saúde. Entretanto, a maioria dos sistemas baseados nesta tecnologia nção apresentam carac- terísticas primordiais ao treinamento de uso de próteses, como exemplo simulação de movimentos dos membros por meio de valores de força aplicadas pelos músculos. Portanto, este trabalho tem como objetivo investigar técnicas computacionais que suportam eficientemente as simulações acima referidas, bem como possibilitem ao profissional da área uma interface intuitiva para manipulação dos parâmetros necessários neste tipo de sistema. Um estudo dos princípios biomecânicos é apresentado, destacando-se os músculos, ar- ticulações e ossos (propostos neste trabalho como biblioteca de classes genéricas) relacionados aos movimentos do membro superior humano, bem como as equações necessárias à análise de equilíbrio estático do corpo. Também é apresentado um estudo sobre os principais sistemas de modelagem e simulação de membros do corpo humano disponíveis no meio científico. Com base nestes estudos, procurou-se definir as limitações dos sistemas existentes em termos de simulações por meio de forças aplicadas pelos músculos em tempo de execução e, partindo destas limitações, propor um sistema que permitisse a modelagem músculo-esquelética e a simulação de movimentos do membro superior a partir da alteração dos valores das forças aplicadas pelos músculos em tempo de execução do movimento. Objetivando uma interface com alto nível de interação, técnicas de Realidade Virtual foram investigadas no desenvolvimento do sistema. Os parâmetros necessários para simulação do movimento são obtidos por meio de objetos de interface ou por um arquivo que contém valores de forças aplicadas pelos músculos, aplicadas em um dado intervalo do tempo. Após uma série de experimentos, observou-se que o sistema permite, além da alteração do valor das forças aplicadas pelos músculos durante a simulação do movimento, a interação do usuário com o modelo do membro superior humano, podendo avaliar sob vários pontos de vista, o efeito destas no membro modelado