Joint-level fatigue for its expoitation in human posture characterization and optimization

Resumen

Esta tesis propone un modelo para calcular fatiga humana a nivel de articulaciones, más precisamente a nivel de grupos musculares. El modelo se usa para la generación computerizada de posturas humanas realistas. Nuestra propuesta es dividir cada articulación de un grado de libertad en dos articulaciones coordinadas, denominadas half-joints. Cada half-joint refleja la actividad de un grupo de músculos asociado con un grado de libertad, en una dirección: la dirección de empuje del correspondiente grupo muscular. En anatomía, estos dos grupos musculares se denominan antagonistas. Los parámetros del modelo son la máxima fuerza muscular y el momento de fuerza actual a nivel de articulación, ambos se usan para calcular un valor de momento de fuerza normalizado. Este valor normalizado se usa para computar el tiempo máximo que una postura puede mantenerse. El modelo integra el tiempo como una variable explícita en un marco de trabajo con Cinemática Inversa, de forma que su evolución a lo largo del tiempo pueda ser explotada tanto para optimización de posturas como en la caracterización de volúmenes alcanzables. Para la optimización de posturas introducimos un patrón de activación para cada articulación que permite establecer una restricción de reducción de fatiga. Estas restricciones se pueden también llamar restricciones fuertes, ya que tiene que asegurarse su mayor prioridad respecto cualquier otra tarea de Cinemática Inversa. El patrón de activación, basado en el fenómeno conocido como histéresis, analiza el nivel de fatiga de una articulación y cuando éste supera un umbral, la variación que sufre la articulación reduce el momento de fuerza por medio de un pequeño incremento compatible con el correspondiente incremento del tiempo. La minimización de la fatiga se consigue usando momentos de fuerza activos y pasivos.