Die Modellierung des Abrollverhaltens beim Fuß-Boden-Kontakt in der Sagittalebene während des menschlichen Gangs

Caspers, Lennart GND

Die Modellierung des Fuß-Boden-Kontakts für die vorwärtsdynamische Gangsimulation ist, als Darstellung des einzigen Kontaktbereichs mit der Umwelt, von großer Bedeutung. Die gewöhnlichen Ansätze induzieren durch die Art ihrer Modellierung mit elastischen Kontaktelementen unrealistische Effekte in die Vorwärtsdynamik. Unter anderem sind die Modellparameter nicht aus den morphologischen Eigenschaften des Fußes zu identifizieren, und es treten unrealistische, hochfrequente interne Schwingungen innerhalb des Modells auf.

Um Echtzeitanwendungen und rechenaufwendige Optimierungen von Gangsimulationen zu ermöglichen, zeigt die hier vorliegende Dissertation einen neuen Ansatz zur Modellierung des Fuß-Boden-Kontakts auf. Die Arbeit besteht aus drei Kernbeiträgen, die in Kombination einen neuartigen Ansatz zur Vorwärtsdynamik des humanen Ganges in der Sagittalebene darstellen.

Erstens wird das Abrollverhalten des Fußes beim menschlichen Gang in der Sagittalebene im Rahmen einer Messstudie detailliert untersucht. Daraus wird ein neuer Parameter mit dem sagittalen Abrollradius entwickelt, der den repetitiven Zusammenhang beim Abrollvorgang des Fußes grob reproduzierbar und plausibel abbildet.

Zweitens wird das gemessene Abrollverhalten auf Basis der gewonnen Erkenntnisse mit einer sogenannten Abrollscheibe modelliert. Dabei wird eine Kontaktgeometrie erzeugt, die mit einer reinen Rollbewegung das individuelle Abrollverhalten des Fußes mit einer für ungefähre vorwärtsdynamische Simulationen hinreichende Genauigkeit widerspiegelt.

Drittens wird dieser neuartige Ansatz zur Modellierung einer Kontaktgeometrie im Rahmen einer vorwärtsdynamischen Gangsimulation validiert und mit einem konventionellen Fußkontaktmodell verglichen. Dabei zeigt sich, dass die Modellierung mit der Abrollscheibe mindestens gleichwertige Ergebnisse liefert, ohne Oszillationen oder unerwünschte Effekte und mit einem um den Faktor 20 geringeren Rechenaufwand.

Modelling the foot-ground interaction is a topic of great importance for forward dynamics simulations of human gait as a representation of the only contact area during gait with the environment. Currently, most approaches use arrays of elastic contact elements which induce unrealistic effects within the forward dynamic simulation. Among other things, the parameters cannot be identified from the morphological properties of the foot, and artificial high-frequency oscillations occur within the model.

In order to enable real-time applications and computationally expensive optimisations of gait simulations, this dissertation presents a new approach to model the foot-ground contact. The thesis consists of three core contributions which, in combination, represent a novel approach for forward dynamics simulations of human gait in the sagittal plane.

First, the rolling behaviour of the foot during human gait in the sagittal plane is investigated in detail in a study. From this, a new parameter with the sagittal curvature radius is developed, which reproducibly and plausibly illustrates the repetitive foot rolling behaviour.

Secondly, the measured rolling behaviour is modelled based on the findings with a so called rolling surface. A contact geometry is generated, which reflects the individual rolling behaviour of the foot sufficiently accurate for forward dynamic simulations.

Thirdly, this novel approach of a rolling surface model is validated in a forward dynamic gait simulation and compared to a conventional foot contact model. It is shown that the modelling with the rolling surface provides at least equivalent results, without undesired effects and with a computational effort reduced by a factor of 20.

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Caspers, L., 2019. Die Modellierung des Abrollverhaltens beim Fuß-Boden-Kontakt in der Sagittalebene während des menschlichen Gangs. https://doi.org/10.17185/duepublico/71103
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