Biomechanical modeling of the human upper body for rotorcraft-pilot interaction

This work shows how different biodynamic modelling techniques are integrated in a rotorcraft design environment in order to evaluate the comfort inside it. Three modeling techniques are considered: lumped parameter, finite element and multibody dynamics. In particular a finite element model and a multibody model of the spine have been presented and validated comparing the frequency response function, between the acceleration at buttock and the acceleration at the head, of the developed model to similar models and experimental data available in literature. Even if the lumped parameter is the easiest to implement, it is limited to a single direction and also to a specific population group; instead the finite element as well as the multibody model can capture the movements in the three directions and also they can be adapted in order to match the response of a specific subject. This scaling procedure has been validated comparing the apparent mass of the model with an experimental campaign conducted by Toward and Griffin. In the second part of the work the multibody model of the spine and of the upper limbs have been presented. They have been built using MBDyn, a software developed at Politecnico di Milano. The multibody formulation is able to capture well the non-linearities that are present in the system. Then the upper limbs model has been coupled with the reduced finite element model: the mixed formulation reduces the problem dimensions. In the last part the multibody and the finite element model have been compared. Moreover the effect of vibrations in helicopter command response have been evaluated highlighting the impact that has a detailed modeling of the spine dynamic in the response: in particular, it has been observed that the collective oscillation are amplified when the dynamic of the spine is considered. Each of the three models have been integrated into a virtual helicopter environment with a seat-cushion interface, considering vibration up to 30 Hz. It is observed that the spine dynamics can play a significant role in estimating the acceleration of the head; therefore, the sophisticated finite element and multibody models redeem their higher modeling cost and computation time when the head-neck health of occupants is considered.

Questo lavoro mostra come differenti strategie di modellazione biomeccanica sono integrate nel contesto di valutazione del comfort all'interno del progetto di un elicottero. Sono stati considerati tre differenti modelli: parametri concentrati, elementi finiti e modelli multicorpo. In particolare, è stato presentato e validato un modello di colonna vertebrale sviluppato usando sia la tecnica degli elementi finiti che multicorpo. La validazione del modello è stata compiuta confrontando le risposte in frequenza, tra l'accelerazione alle natiche e quella alla testa del modello sviluppato, con le risposte sperimentali e quelle fornite dai modelli a parametri concentrati. Anche se i modelli a parametri concentrati sono i più facili da implementare, essi possono valutare la dinamica in una sola direzione e inoltre possono rappresentare solo una ristretta popolazione. Al contrario il modello a elementi finiti, come quello multicorpo, può catturare la dinamica nelle tre direzioni e inoltre può essere adattato al fine di rappresentare al meglio la risposta di un singolo soggetto. La procedura di scalatura proposta è stata poi comparata con i risultati forniti dalla campagna sperimentale condotta nel lavoro di Toward e Griffin. Nella seconda parte del lavoro sono stati presentati i modelli multicorpo della colonna vertebrale e degli arti superiori. Questi sono stati costruiti usando il software libero MBDyn sviluppato al Politecnico di Milano: il vantaggio principale è quello di poter catturare le non-linearità che sono presenti nel modello. Successivamente il modello degli arti superiori è stato unito al modello ridotto, proveniente dal modello FEM, della colonna vertebrale: usando questa formulazione mista le dimensioni del problema si riducono notevolmente. Nell'ultima parte sono stati confrontati il modello a elementi finiti e quello multicorpo. Inoltre, sono stati valutati gli effetti che comporta l'inserimento del modello ridotto, accoppiato con quello del braccio, nel problema di risposta ai comandi di un elicottero: è stato osservato in particolare che le oscillazioni del collettivo risultano amplificate quando viene considerata la dinamica della schiena. Infine, i tre modelli (parametri concentrati, elementi finiti e multicorpo) sono stati integrati all'interno di un modello agli stati di un elicottero, usando come elemento di interfaccia un sistema sedile-cuscino e considerando le vibrazioni fino a 30 Hz. E’ stato osservato che la dinamica della colonna gioca un ruolo significativo nello stimare l'accelerazione della testa; perciò i sofisticati modelli a elementi finiti e multicorpo riscattano il loro alto costo computazionale e di modellazione quando viene considerata la salute del sistema collo-testa dell'occupante.