Estimation of the Dependence of Upper Limb's Biomechanical Impedance on Muscular Activation Using Inverse Dynamics

In this work a biomechanical multibody model of the human upper limb has been developed, aimed at the identification of the passive impedance characteristics of a generic human controller. The model comprehends 4 rigid bodies, representing the major ana- tomical elements of the limb, together with 25 viscoelastic, non linear elements that model the muscles fascicula, and accounts for 7 degrees of freedom. It is thus a cinematically redundant mechanism, and the inversion of its kinematics is an under-constrained problem. However, the solution of this problem is preliminar to the inversion of the dynamics of the system, and thus to the determination of joint torques needed to perform a task, or follow an imposed trajectory. Both general and specific methodologies have been implemented and developed to solve this indeterminacy. The system is redundant also upon another aspect: 25 muscles act together to produce 7 components of joint torque, and therefore an optimization algorithm has to be used to identify the single muscle’s activation level. A specific methodology aimed at the determination of the arm intrin- sic impedance in frozen dynamicsl conditions has also been developed and implemented, and its results analyzed on the basis of experimental data. A further analysis has been carried out to evaluate the contribution of linear combinations of muscular activations that does not produce a variation in joint torque, but alter the limb’s impedance. Such linear combinations has been called Torque Less Activation Modes.

Nel presente lavoro di tesi è stato sviluppato un modello multibody biomeccanico dell’arto superiore umano, mirato alla identificazione delle caratteristiche di impedenza passiva di un generico controllore umano. i Il modello comprende 4 corpi rigidi, rappresentanti i maggiori ele- menti anatomici dell’arto, e 25 elementi viscoelastici non lineari rappre- sentanti i muscoli, e possiede 7 gradi di libertà. Risulta quindi un meccanismo cinematicamente ridondante, e l’inver- sione della sua cinematica risulta un problema sottodeterminato, ma preliminare all’inversione della dinamica e quindi alla determinazione delle coppie di giunto necessarie a garantire una determinata traiettoria imposta. Metodologie sia generali che specifiche sono state sviluppate per risolvere questa indeterminazione e giungere all’identificazione delle coppie di giunto. Il sistema è ridondante anche sotto un altro aspetto: 25 gruppi musco- lari agiscono insieme per generare 7 componenti di coppia ai giunti: un algoritmo di ottimizzazione deve quindi essere utilizzato per ripartire corretamente le forze ai singoli fasci mucolari. E’ stato inoltre implementata una metodologia specifica per la de- terminazione dell’impedenza in condizioni di dinamica del sistema congelata. I risultati forniti da questa metodologia sono poi analizzati sulla base di dati sperimentali. All’analisi dei dati è stata aggiunta la valutazione di combinazioni lineari di coefficienti di attivazione che non producono variazione di coppia ai giunti, chiamate Torque Less Activation Modes, per valuta- re in modo critico e quantitiativo la loro importanza relativa ai fini dell’identificazione dell’impedenza equivalente del braccio del pilota.