Validation of multibody biomechanical models of the human upper body for rotorcraft-pilot coupling analysis

The interaction between a pilot biodynamics and a rotorcraft dynamics can, in some cases, lead to uncontrollable vibratory phenomena. In this context, the FRAME Lab research group at Politecnico di Milano developed a multibody model of the human upper body, with the intent to perform numerical investigations on different pilot’s body types and neuromuscular behaviors, with the ultimate goal of supporting the design of rotorcraft in- herently more robust to pilot couplings, excluding it from the flight envelope. To achieve this, validated numerical models of the helicopter-pilot system are necessary. This thesis explored the steps required to ensure the human upper body model is a good representa- tion for the dynamics of any pilot, regardless of their biometric characteristics. A method will be illustrated through which the characteristics of the elements representing the pi- lot’s muscles can be modified so that the predicted biomechanical response is consistent with the experimental one. The method has also been verified considering variations to the control inceptor characteristics, in order to assess its robustness to parameters not concerning solely the pilot biomechanics. The numerical data has been compared with data obtained in tests conducted at the Department of Aerospace Science and Technology RPC Test Bed, to validate the model’s predictive capabilities. The developed method effectively achieves the desired purpose: the values of the pa- rameters that characterize the muscles are adapted by the developed code so that the numerical curves overlap with the experimental ones. A key takeaway is that accurately modeling the human body requires considering muscle capacity, a factor that can vary between subjects even if they have the same biometric characteristics.

L’interazione tra la biodinamica di un pilota e la dinamica di un elicottero può, in al- cuni casi, portare a fenomeni vibrazionali incontrollabili. In questo contesto, il gruppo di ricerca FRAME Lab del Politecnico di Milano ha sviluppato un modello multibody della parte superiore del corpo umano, con l’intento di eseguire indagini numeriche su diversi tipi di corporatura e comportamenti neuromuscolari dei piloti. L’obiettivo finale è supportare la progettazione di elicotteri intrinsecamente più robusti agli accoppiamenti con il pilota, escludendoli dall’inviluppo di volo. Per raggiungere tale scopo, sono nec- essari modelli numerici validati del sistema elicottero-pilota. Questa tesi ha esplorato i passaggi necessari per garantire che il modello del busto umano sia una buona rappre- sentazione della dinamica di qualsiasi pilota, indipendentemente dalle sue caratteristiche biometriche. Verrà illustrato un metodo attraverso il quale è possibile modificare le carat- teristiche degli elementi che rappresentano i muscoli del pilota, in modo che la risposta biomeccanica prevista sia coerente con quella sperimentale. Il metodo è stato verificato anche considerando variazioni nelle caratteristiche del controllo inceptor, al fine di valu- tarne la robustezza rispetto a parametri che non riguardano unicamente la biomeccanica del pilota. I dati numerici sono stati confrontati con quelli ottenuti durante i test con- dotti presso il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali - RPC Test Bed, per convalidare le capacità predittive del modello. Il metodo sviluppato raggiunge in modo efficace lo scopo desiderato: i valori dei parametri che caratterizzano i muscoli vengono adattati dal codice sviluppato in modo tale che le curve numeriche si sovrappongano a quelle sperimentali. Si può concludere che per una corretta rappresentazione del corpo umano sia fondamentale tenere conto della capacità muscolare, un fattore che può cambiare da pilota a pilota nonostante questi abbiano le medesime caratteristiche biometriche.