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Approche intégrée de modélisation cinématique et dynamique du membre supérieur

Maria Laitenberger

Master's thesis (2013)

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Abstract

A biofidelic multibody model of the upper limb for the quantitative assessment of jointkinematics and dynamics has the potential to become an innovative tool in many applicationfields. However, the forearm kinematic and dynamic modeling still presents challenges due to thecomplexity of providing a closed-loop definition which takes into account the interactions thatexist between the two forearm bones as well as the joints non-ideal aspect.In this context, this study presents the development of a dynamic multibody model of the upperlimb including a refined model of the forearm, particularly through the integration of a closedloopand personalized kinematic chain. To assess the effect of this refinement and its relevance inthe joint kinematics and dynamics of the upper limb, the proposed model is compared with fourmodels supporting the main hypothesis of the literature. The comparison parameters betweenmodels are (i) the global and local movement reconstruction errors during inverse kinematics and(ii) the joint torque-angle patterns obtained after inverse dynamics. This study was conducted on15 healthy adults who performed simple and functional tasks in motion analysis laboratory.The results show the relevance of the integration of a closed-loop kinematic chain of the forearmin a complete model of the upper limb, which leads to reduction of the reconstruction errors andprovides larger joint angles and torques when compared to conventional models. The novelmodeling and experimental aspects demonstrated in this study include the use of a loop closure ina global optimization approach, the personalization of joint centers and axes of rotation at theforearm using functional methods, the distinction between proximal and distal markers of theforearm during the reconstruction of the movement to allow a relative motion between them anda protocol that tends to reduce soft tissue artifacts. The incentive of this project is based on theactual need for an integrated kinematic and dynamic modeling approach that provides a realisticrepresentation of the forearm movements prior to muscle forces quantification. Among thepossible applications of this project, one can include the upper limb functional assessment inrehabilitation clinic and the development of active prostheses.

Résumé

Un modèle multicorps biofidèle du membre supérieur pour l'évaluation quantitative de lacinématique et dynamique articulaires a le potentiel de devenir un outil innovant dans denombreux domaines d'application. Toutefois, la modélisation cinématique et dynamique del'avant-bras présente encore des défis en raison de la complexité de fournir une définition enboucle fermée qui tient compte à la fois des interactions entre les deux os de l'avant-bras et del'aspect non-idéal des articulations.Dans ce contexte, ce mémoire présente le développement d'un modèle dynamique multicorps dumembre supérieur comprenant une modélisation raffinée de l'avant-bras, notamment vial'intégration d'une chaine cinématique en boucle fermée et personnalisée à chaque sujet. Pourexposer l'effet de ce raffinement et sa pertinence dans la cinématique et dynamique articulaires dumembre supérieur, le modèle proposé est comparé à quatre modèles supportant les principaleshypothèses de la littérature. Les paramètres de comparaison entre les modèles sont (i) les erreursglobales et locales de reconstruction du mouvement pendant la cinématique inverse et (ii) lespatrons couple-angle articulaires obtenus suite à la dynamique inverse. Cette étude est menée sur15 sujets adultes sains ayant effectué des tâches simples et fonctionnelles en laboratoire d'analysedu mouvement.Les résultats montrent la pertinence de l'intégration d'une chaine cinématique de l'avant-bras enboucle fermée dans un modèle complet du membre supérieur, notamment en réduisant les erreursde reconstruction et en fournissant des angles et des couples articulaires plus importants que lesmodèles conventionnels. Des aspects méthodologiques sont mis de l'avant dans cette étudenotamment l'utilisation de l'optimisation globale avec une fermeture de boucle, lapersonnalisation des centres et axes articulaires de l'avant-bras au moyen de méthodesfonctionnelles, la distinction des marqueurs proximaux et distaux de l'avant-bras lors de lareconstruction du mouvement pour assurer un mouvement relatif entre eux ainsi qu'un protocolequi tend à réduire les artéfacts dus aux mouvements des tissus mous. La motivation derrière ceprojet repose sur le besoin réel d'une approche intégrée de modélisation cinématique etdynamique pour fournir une représentation réaliste des mouvements de l'avant-bras en amont dela quantification des forces musculaires. Les applications visées comprennent, entre autres,l'évaluation fonctionnelle du membre supérieur en clinique de réadaptation et le développement de prothèses actives.
Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Maxime Raison, Delphine Périé-Curnier, Mickael Begon
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/1272/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 19 Mar 2014 15:16
Last Modified: 13 Nov 2022 05:11
Cite in APA 7: Laitenberger, M. (2013). Approche intégrée de modélisation cinématique et dynamique du membre supérieur [Master's thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/1272/

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