İnsan vücudunun farklı durumlardaki hareketinin dinamik modellenmesi ve simülasyonu

Abstract

İnsan hareketlerinin modellenmesinde birkaç farklı yöntem kullanılmaktadır. Temelde Newton'un ikinci hareket kanununa dayalı olarak türetilen bu yöntemlerden bir tanesi ters dinamik yaklaşımdır. 1970'lere kadar sınırlı sayıda araştırmaya konu olan bu yaklaşım, ticari kuvvet platformlarının yaygınlaşması ve bilgisayar sistemlerinin gelişmesiyle birlikte daha çok ilgi çekmeye başlamıştır. Bu yaklaşım kuvvet ve momentleri, hareket halindeki cisimlerin kinematik ve atalet özelliklerinden yararlanarak dolaylı olarak belirleyen bir süreci ifade etmektedir.Bu tez çalışmasında insan vücudunun ayak, bacak, uyluk, gövde, kol ve ön koldan oluşan 6 katı uzuvlu açık zincir modeli oluşturulmuştur. Uzuvların antropometrik özelliklerinin belirlenmesinde antropometrik modellerden ve bilgisayar yazılımlarından faydalanılmıştır. Eklemlerin konum verilerinin elde edilmesi için üzerine işaretleyiciler yerleştirilen deneğin hareketleri kamera ile izlenmiş ve sayısallaştırma işlemi yapılmıştır. MATLAB (7.6.0) yazılımı kullanılarak eklemlerin açısal yer değiştirmeleri, açısal hızları ve açısal ivmeleri hesaplanmıştır. Elde edilen kinematik veriler SimMechanics (2.7.1) yazılımında oluşturulan ters dinamik modelin tahrikinde kullanılmıştır.Oturulan farklı yüksekliklerden kalkış, çömelip kalkma, yerden yük kaldırma ve farklı yüksekliklerdeki basamakları çıkma hareketlerinin simülasyonları SimMechanics yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. SimMechanics yazılımı ile hesaplanan yer tepki kuvvetleri, hareket analizi sırasında kuvvet platformuyla ölçülen yer tepki kuvvetleri ile karşılaştırılmıştır. Sonuçların birbirine çok yakın olduğu görülmüştür. Bu çalışma, gerçek boyutlardaki mekanik sistemlerin dinamik analizleri için geliştirilmiş SimMechanics yazılımının insan hareketi analizlerinde de kullanılabileceğini göstermiştir. Ayrıca, yapılan simülasyon işlemleri hareketlerin kinetik davranışlarını açıklamada faydalı olmuştur.

A few different methods are used for the modelling of the human motion. Basically, one of the these methods based on the Newton?s second law is the inverse dynamics approach. This approach which is the subject of a limited number of research until 1970s has started to create more interest with the expansion of the commercial force platforms and development of the computer systems. Inverse dynamics method is the process by which force and moments are indirectly determined from the kinematics and inertial properties of moving bodies.In this thesis, a human body has been composed as a 6 rigid-open loop-body model which is consisted of a foot, a leg, a thigh, a trunk, an arm and a forearm. To determine the anthropometric characteristics of the bodies has been benefited from anthropometric models and the computer software. The movements of the subject markers placed on body were viewed with a video camera in order to get location data of joints and the digitization process was made. It was computed the angular displacement, angular velocity and angular acceleration of the joints using by MATLAB (7.6.0). The obtained data was used to actuate inverse dynamics model which is created by SimMechanics (2.7.1).Motion of standing of different sitting heights, motion of squat-stand, motion of lifting load and motion of climbing up different steps were simulated by using SimMechanics software. It was compared ground reaction forces calculated by SimMechanics with ground reaction forces measured by force platform. This study was also shown that SimMechanics software which is developed to analyse mechanical systems in real dimensions dynamically can be used for human motion analysis. Furthermore, the simulating processes have been useful to explain kinetic behaviour of the human movements.