Analysis of feasibility in OpenSim Moco of Inverse Dynamics problems involving human models with exoskeletons

Abstract

En este Trabajo se analiza la factibilidad a la hora de realizar en OpenSim Moco análisis dinámicos inversos en modelos humano-exoesqueleto. Estos modelos son mecanismos de cadena cerrada con músculos, por lo que el problema puede reducirse al estudio de la Dinámica Dnversa de un mecanismo de 4 barras con músculos. En el Capítulo 1, se muestra una concisa introducción sobre los exoesqueletos, así como una breve reseña bibliográfica sobre el estudio de la Dinámica Inversa en el cuerpo humano, especialmente en los casos con exoesqueletos. El Capítulo 2 contiene una introducción de OpenSim Moco, en la cual se desarrolla el problema del control óptimo, las técnicas de colocación directa empleadas por Moco para resolver el problema, y las diferentes problemáticas que se pueden resolver en Moco, con especial atención al MocoInverse, resuelto en este Proyecto. A continuación, el Capítulo 3 versa sobre los modelos musculares empleados en este Trabajo, describiéndose las ecuaciones que emplean para obtener las fuerzas musculares, así como sus curvas características. Más adelante, el Capítulo 4, se detalla cómo aborda OpenSim el problema del bucle abierto, para después introducir la problemática de los mecanismos de bucle cerrado, el tema central de este Trabajo, y cómo son resueltos. La formulación genérica de la Cinemática y Dinámica Inversa para sistemas multicuerpo es presentada también. El Capítulo 5 supone la aparición del mecanismo de cuatro barras (primero sin músculos y después con ellos), además de la particularización de los problemas presentados con anterioridad para el cuadrilátero articulado. El Capítulo 6 sirve para mostrar los resultados del Trabajo, demostrando la hipótesis que había servido de punto de partida para esta investigación: la factibilidad de usar OpenSim Moco para resolver la Dinámica Inversa del conjunto humano-exoesqueleto. También se muestra un pequeño análisis de sensibilidad acerca de la influencia de los cambios en el punto de inserción de los músculos, así como del número de músculos, en el comportamiento dinámico del sistema. Por último, una breve conclusión sobre el Proyecto cierra esta investigación. En el Anexo final aparecen algunos resultados intermedios, sin importancia directa en los resultados del Trabajo, pero que pueden resultar de interés para el lector.

In this work, the feasibility to perform Inverse Dynamics problems in human models wearing exoskeletons by using OpenSim Moco is studied. These models are closed-loop mechanisms with muscles, so the problem can be reduced to study Inverse Dynamics in four-bars mechanisms with muscles. In Chapter 1, a brief introduction about exoskeletons is shown, as well as a bibliographic revision about Inverse Dynamics applied to the human body, specially when wearing exoskeletons. In Chapter 2, OpenSim Moco is introduced, developing the optimal control problem, the direct collocation methods to solve it, and the diverse types of problems which can be found in Moco, focusing on MocoInverse (the one used in this report). Then, in Chapter 3, muscle models are analyzed in terms of characteristic curves and equations to obtain muscle force. Next, in Chapter 4, the way OpenSim solves open-loop problems is detailed, to then introduce the issue of closed-chain mechanisms, and how they are faced in this work. Moreover, the theoretical expressions of Inverse Kinematics and Dynamics for multibody systems are presented. In Chapter 5, the 4-bar mechanism appears (firstly without muscles, and then, with them), as well as the particularization of every problem previously explained on it. Chapter 6 serves to display every result obtained, demonstrating the feasibility of the human-exoskeleton Inverse Dynamics in OpenSim Moco, and also showing a little analysis of sensitivity about the influence of changing the insertion point of muscles and the number of them. By last, a brief conclusion about the work closes the research. In the Annex, some intermediate results involving muscle forces and parameters are displayed.