Einfluss von Aktivierungsfunktionen auf die Ergebnisse von Bewegungssimulation mit Muskel-Skelett-Modellen

Abstract

In der vorliegenden Dissertation wird der Einfluss der Aktivierungsfunktion nach Hatze (1981) und Zajac (1989) auf das Ergebnis von Mehrkörpersimulationen untersucht. Bislang gibt es zu dieser Fragestellung lediglich einen mathematischen Vergleich der beiden am häufigsten verwendeten Aktivierungsfunktionen (Rockenfeller et al. 2015). Zunächst wird in dieser Arbeit ein Überblick über verschiedene mathematische Modelle und Zusammenhänge zur Berechnung der Kraft der Muskulatur geliefert. Im Anschluss werden experimentell durchgeführte Studien vorgestellt. Das Ziel der Studie zum Thema Plantarflexion war es, den Zusammenhang zwischen EMG-Signal und Kraft zu klären. Außerdem wird in dieser Studie der Einfluss der Muskellänge auf das EMG-Signal untersucht. Eine weitere Studie wurde zum Thema Radfahren durchgeführt. Das Ziel dieser Studie war es, Daten zu erheben, die eine Simulation des Radfahrens ermöglichen. Des Weiteren wird im Anschluss an die Studien, das in dieser Arbeit verwendete Simulationsmodell, welches im Grunde auf das Modell von Prochel (Anthropion) (2009) und Delp et al. (1990) zurückzuführen ist, vorgestellt und anhand von isolierten Muskeldaten validiert. In den letzten Kapiteln steht der Vergleich der Ergebnisse aus Simulation und Experiment sowie der Einfluss der Aktivierungsfunktionen auf dieselben im Vordergrund. Dabei wird deutlich, dass der Einsatz der Aktivierungsfunktion von Hatze (1981) nur eingeschränkt für die Simulation mit EMG-Daten verwendbar ist. Ebenso zeigen sich an Hand des Fahrradfahrer-Modells die Grenzen der Simulation mit EMG-Signalen. Die Arbeit bietet einen Mehrwert für die Grundlagen der biomechanischen Simulation, da sie die Funktionen der Aktivierungsfunktionen erstmals im Zusammenhang mit experimentell erfassten EMG-Signalen praktisch hinterfragt und anwendet. Zusätzlich wird der Einfluss der Aktivierungsfunktionen auf die Kraftentwicklung in der Muskulatur und das damit verbundene Ergebnis einer komplexen Mehrkörpersimulation untersucht.

In the following work the influence of the chosen activation dynamics of Hatze (1981) and Zajac (1989) on the results of Multibody Simulations, is getting examined. Until today there is only one mathematical comparison of the two most commonly used functions of the activation dynamics. Initially this work gives an overview on different mathematical models and relations to calculate muscle force. Subsequently experimental studies are getting introduced. The goal of the first study (about plantarflexion) was to explain the relation between EMG-signal and force, furthermore in this study the influence of the muscle length on the EMG-signal is examined. Another study about cycling was realized, thereby the goal was to gather data which allows the simulation of cycling. Afterward, the model for simulation (in this work) which is based on the models of Prochel (Antrhopion) (2009) and Delp et al. (1990) is getting introduced and validated on basis of isolated muscle data. In the last chapters the essence of this work, the comparison of the results of experiment and simulation, as well as the influence of the used activation dynamics on the same is presented. Thereby it is distinctly marked that the usage of the activation dynamics of Hatze (1981) in combination with EMG-signal is only restricted possible. With the model of the cycler the limitations of the choosen method (simulation with EMG-signals) is shown. This Work adds value to the basics of biomechanical simulation because the function of activation dynamics in combination with experimental recorded EMG-signals are getting practical questioned and used for the first time. Also the influence of activation dynamics on the muscle force production and thereby the result of a complex multi-body simulation is getting examined.