Stěžejním úkolem této práce je zdokonalit virtuální svalově-kosterní model ruky v programu AnyBody Modeling System, navrhnout a zrealizovat model počítačové myši běžného a ergonomického typu, a následně díky těmto modelům myší a modelu ruky vyhodnotit síly ve svalech a reakce v kloubech ruky při jejich používání.
Hlavním úkolem této práce byl vývoj modelu ruky, tedy ruční vyhlazení již stávajících modelů kostí, a též uvažování reálné anatomie zápěstí s možností pohybu mezi jednotlivými zápěstními kůstky s reálně rozloženou hmotou. Všechny kosti byly modelovány z reálných dat z měření VHP (The Visible Human Project). Veškeré pohybové rovnice jsou sestaveny pomocí metody uvolňování, díky které je možné vyřešit úlohu kinetostatiky. Dále bylo žádoucí, aby model obsahoval vazy a rozdílné vlastnosti chování hlavních šlach a svalů. Aby směr a umístění průchodu jak svalů, tak šlach byl co nejvíce skutečný, je důležité, aby pevně dané průchodící body svalů a budoucích šlach byly změněny na překážky, geometrické tvary, které daná měkká tkáň obepíná. Kvůli měření a validaci modelu pro pohyb při práci s počítačovou myší je následně nutné celý model ruky zrcadlově obrátit ve 3D z levé ruky na pravou.
Správnost modelu lze ověřit porovnáním svalových aktivit tří vybraných svalů skutečné lidské ruky a modelu ruky. Validaci modelu lze provést díky spojení tří měřících metod, a to měření pohybu pomocí systému Vicon, měření síly při klikání s počítačovou myší a měření elektromyografického signálu vybraných svalů ruky v daný okamžik.
Druhou stěžejní úlohou byla rešerše současného vývoje počítačových myší, návrh dvou tvarových typů, tedy běžného a ergonomického typu, jejich virtuální modelace a vytvoření fyzických modelů. Využitím těchto modelů při měření pohybů pomocí systému Vicon lze dostat reálná data. Po importování těchto dat do modelu ruky lze zhodnotit dopad na zdraví svalů a kloubů.
Annotation in English
The aim of this study is to improve a virtual musculoskeletal model of hand of human body built in program AnyBody Modeling System (AMS) and to design and implement a model of PC - mouse of normal and ergonomic type. Using these models and the model of hand, muscle forces and reactions in joints during a work with these models are determined.
A main part of this work is a development of model of hand. It means to develop an accurate shape of models of bones, to separate the wrist from one segment into individual bones and to determine their real masses and possibilities of their movement. All these bones are modeled using real data from measurements of The Visible Human Project (VHP).
The model contains main muscles, main ligaments and main tendons. A direction and a position of each muscle or tendon is changed in this work from via-points to obstacles with shapes of cylinder and ellipsoid. These muscles and tendons should go across these obstacles which is more realistic than using via-points. For real measurements with PC-mouse by Vicon System it is necessary to mirror whole model from left hand to right hand. A simulation of 3D motion of this model in gravity was defined by equations of motion to solve inverse dynamics.
A validation of this model is done by comparison between muscle activity in the model of hand and real muscle activity during a special measurement. This validation contains three different measurements, such as measurement of a movement by Vicon System, measurement of a force on mouse during tapping by force transducer, and measurement of muscle activity with electromyography sensors.
The second part of this work is focused on a PC-mouse. It includes previous development, proposal of normal and ergonomic PC-mouse as well as their virtual and real models. After that these models can be used for measurement (of tapping on mouse) by Vicon System. The data of real movement can be imported to the model of hand and after that it is possible to analyze muscle forces and reaction in joints.
Keywords
Model ruky, anatomie zápěstí, reálná data kostí, kinetostatika, elektromyografický signál, počítačová myš
Keywords in English
Model of hand, anatomy of the wrist, real data of bones, inverse dynamics, electromyographic signal, a PC-mouse
Length of the covering note
60 s. (60 606 znaků)
Language
CZ
Annotation
Stěžejním úkolem této práce je zdokonalit virtuální svalově-kosterní model ruky v programu AnyBody Modeling System, navrhnout a zrealizovat model počítačové myši běžného a ergonomického typu, a následně díky těmto modelům myší a modelu ruky vyhodnotit síly ve svalech a reakce v kloubech ruky při jejich používání.
Hlavním úkolem této práce byl vývoj modelu ruky, tedy ruční vyhlazení již stávajících modelů kostí, a též uvažování reálné anatomie zápěstí s možností pohybu mezi jednotlivými zápěstními kůstky s reálně rozloženou hmotou. Všechny kosti byly modelovány z reálných dat z měření VHP (The Visible Human Project). Veškeré pohybové rovnice jsou sestaveny pomocí metody uvolňování, díky které je možné vyřešit úlohu kinetostatiky. Dále bylo žádoucí, aby model obsahoval vazy a rozdílné vlastnosti chování hlavních šlach a svalů. Aby směr a umístění průchodu jak svalů, tak šlach byl co nejvíce skutečný, je důležité, aby pevně dané průchodící body svalů a budoucích šlach byly změněny na překážky, geometrické tvary, které daná měkká tkáň obepíná. Kvůli měření a validaci modelu pro pohyb při práci s počítačovou myší je následně nutné celý model ruky zrcadlově obrátit ve 3D z levé ruky na pravou.
Správnost modelu lze ověřit porovnáním svalových aktivit tří vybraných svalů skutečné lidské ruky a modelu ruky. Validaci modelu lze provést díky spojení tří měřících metod, a to měření pohybu pomocí systému Vicon, měření síly při klikání s počítačovou myší a měření elektromyografického signálu vybraných svalů ruky v daný okamžik.
Druhou stěžejní úlohou byla rešerše současného vývoje počítačových myší, návrh dvou tvarových typů, tedy běžného a ergonomického typu, jejich virtuální modelace a vytvoření fyzických modelů. Využitím těchto modelů při měření pohybů pomocí systému Vicon lze dostat reálná data. Po importování těchto dat do modelu ruky lze zhodnotit dopad na zdraví svalů a kloubů.
Annotation in English
The aim of this study is to improve a virtual musculoskeletal model of hand of human body built in program AnyBody Modeling System (AMS) and to design and implement a model of PC - mouse of normal and ergonomic type. Using these models and the model of hand, muscle forces and reactions in joints during a work with these models are determined.
A main part of this work is a development of model of hand. It means to develop an accurate shape of models of bones, to separate the wrist from one segment into individual bones and to determine their real masses and possibilities of their movement. All these bones are modeled using real data from measurements of The Visible Human Project (VHP).
The model contains main muscles, main ligaments and main tendons. A direction and a position of each muscle or tendon is changed in this work from via-points to obstacles with shapes of cylinder and ellipsoid. These muscles and tendons should go across these obstacles which is more realistic than using via-points. For real measurements with PC-mouse by Vicon System it is necessary to mirror whole model from left hand to right hand. A simulation of 3D motion of this model in gravity was defined by equations of motion to solve inverse dynamics.
A validation of this model is done by comparison between muscle activity in the model of hand and real muscle activity during a special measurement. This validation contains three different measurements, such as measurement of a movement by Vicon System, measurement of a force on mouse during tapping by force transducer, and measurement of muscle activity with electromyography sensors.
The second part of this work is focused on a PC-mouse. It includes previous development, proposal of normal and ergonomic PC-mouse as well as their virtual and real models. After that these models can be used for measurement (of tapping on mouse) by Vicon System. The data of real movement can be imported to the model of hand and after that it is possible to analyze muscle forces and reaction in joints.
Keywords
Model ruky, anatomie zápěstí, reálná data kostí, kinetostatika, elektromyografický signál, počítačová myš
Keywords in English
Model of hand, anatomy of the wrist, real data of bones, inverse dynamics, electromyographic signal, a PC-mouse
Research Plan
Rešerše současného stavu poznání (ergonomické počítačové myši, svalově-kosterní modely).
Vývoj svalově-kosterního modelu ruky v programu AnyBody Modeling System. Bude uvažována také reálná anatomie zápěstí.
Návrh ergonomické počítačové myši.
Naměření reálných pohybů ruky s ergonomickou myší pomocí systému Vicon. Implementace naměřených dat do modelu.
Vyhodnocení přínosu ergonomické myši na základě analýzy sil v modelu.
Research Plan
Rešerše současného stavu poznání (ergonomické počítačové myši, svalově-kosterní modely).
Vývoj svalově-kosterního modelu ruky v programu AnyBody Modeling System. Bude uvažována také reálná anatomie zápěstí.
Návrh ergonomické počítačové myši.
Naměření reálných pohybů ruky s ergonomickou myší pomocí systému Vicon. Implementace naměřených dat do modelu.
Vyhodnocení přínosu ergonomické myši na základě analýzy sil v modelu.
Recommended resources
Čihák, R. Anatomie 1, Grada, Praha, 2011.
Damsgaard, M., Rasmussen, J., Christensen, S.T., Surma, E., Zee, M., Analysis of musculoskeletal systems in the AnyBody Modeling System, Simulation Modelling practice and Theory 14, 1100-1111, 2006.
Schmid, A.B., Kubler, P.A., Johnston, V., Coppieters, M.W., A vertical mouse and ergonomic mouse pads alter wrist position but do not reduce carpal tunnel pressure in patients with carpal tunnel syndrome. Applied Ergonomics 47, 151-156, 2015.
Recommended resources
Čihák, R. Anatomie 1, Grada, Praha, 2011.
Damsgaard, M., Rasmussen, J., Christensen, S.T., Surma, E., Zee, M., Analysis of musculoskeletal systems in the AnyBody Modeling System, Simulation Modelling practice and Theory 14, 1100-1111, 2006.
Schmid, A.B., Kubler, P.A., Johnston, V., Coppieters, M.W., A vertical mouse and ergonomic mouse pads alter wrist position but do not reduce carpal tunnel pressure in patients with carpal tunnel syndrome. Applied Ergonomics 47, 151-156, 2015.
