Biomechanische 3D-Muskelmodellierung

Das Fraunhofer IPA beschäftigt sich in diesem Projekt mit der Entwicklung von 3D-Finite Elemente Simulation zur Berechnung von Armbewegung. Die Aktivierung verschiedener Muskelgruppen führt dabei in der Simulation zur resultierenden Bewegung.

Des Weiteren entwickelt das Fraunhofer IPA neue experimentelle Methoden zur Evaluierung von ergonomischen Problemstellungen in den Montageprozessen. In diesen Experimenten werden Arbeitsprozesse verschiedener Industriebrauchen, z.B., der Automobilbranche, im Labor nachgestellt. Die dabei gemessen Daten, wie z.B. Bewegungsdaten, EMG-Signale der Muskelaktivierungen, Gelenkkräfte und -momente sowie Bodenkontaktkräfte des Arbeiters werden gemessen und analysiert stehen dann anschließend für die Validierung der 3D Finite Element Muskelmodellen oder den MKS-Simulationen zur Verfügung.

Das auf einen phänomenologischen Ansatz basierende konstitutive 3D-Muskelmodell für den Muskel-Sehnen Komplex ermöglicht die Simulation und Vorhersage von muskelaktivierten Bewegungen der Extremitäten wie, zum Beispiel, das Anheben des Unterarms. Um möglichst schnell die Simulationen durchzuführen, wird in einer Offline-Phase für verschiedene Aktivierungskombination die resultierenden Kräfte simuliert und eine Antwortfläche berechnet. Mit diesen Ergebnissen können dann Optimierungen mit komplizierten Zielfunktion durchgeführt werden. Durch Erweiterungen des Muskelmodells hinsichtlich Ermüdung sollen realistischere Simulationen ermöglicht werden.

Für die ergonomische Evaluierung sind die Belastungen im Gelenk von entscheidender Rolle – insbesondere wenn Muskelkräfte nachlassen. Diese können allerdings aus ethischen Gründen nicht direkt gemessen werden und benötigen somit detailgetreue Modelle um realistische Vorhersagen zu treffen. Durch eine 3D örtliche Auflösung der Kräfte und Spannungen im Ellenbogengelenk können somit Simulationen neue Einblicke in potentielle Gelenkschäden, wie z. B. vom Knorpelschäden, bringen.