A new model of the human trunk mechanics in walking

Andrada, Emanuel GND

After about 15 years of “dynamical” trunk studies, too many questions stay unexplained, and too many kinematical and dynamical aspects unexplored. We know from kinematical studies that trunk amplitudes, frequencies and phases are related to velocity. But we do not know how. In addition, can these amplitudes or phases be predicted? Are the changes in the amplitudes, frequencies or phases a function of anthropometry? Or something else? Why a person has its own individual gait? Could it be possible to find objective parameters in order to describe intra- and inter-individual variations of trunk amplitudes, frequencies and phases? The present work tries to find answers to these questions from a mechanical point of view. First expanding our kinematical knowledge and relating this to anthropometry, and then introducing a new model of the human trunk mechanics in walking.

Beim menschlichen Gehen interagiert der Rumpf systematisch mit den Extremitäten. Aus diesem Grund kann man Rumpfamplituden, Frequenzen und Phasen als eine Funktion der Fortbewegungsgeschwindigkeit beobachten. Das Bewegungsbild des Rumpfes aber ist individuell. Um die Ursachen der intra- und interindividuellen Variation der Kinematik des Rumpfes zu finden, wurden zwei Hypothesen geprüft: 1) die intra- und interindividuelle Variation der Kinematik des Rumpfes ist eine Funktion der Massenverteilung, 2) hat man eine bestimmte Masseverteilung und eine gegebene Geschwindigkeit, dann wird die intra- und interindividuelle Variation in der Kinematik des Rumpfes durch die Änderungen in den visco-elastischen Eigenschaften des Bewegungsapparates realisiert. Um Hypothese 1 zu testen, wurde eine Studie mit 106 Probanden (50 w, 56 m) durchgeführt. Bei dieser Studie wurde keine einfachen Zusammenhänge zwischen den 48 anthropometrischen und den kinematischen Parametern der Rumpfbewegung (Freiheitsgrad 6) bei 4 km/h (energetische Optimalgeschwindigkeit nach Cavagna) gefunden. Die in der vorliegenden Arbeit präsentierten kinematischen Ergebnisse stellen dar, dass die Dämpfungsmechanismen (Dm) in der Frontalebene betont sind, und auch, dass die Dm bei den Frauen stärker ausgeprägt sind als bei den Männern. Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass die so genannten „Kompensationsmechanismen“ zwischen Kopfrotationen und Schultertranslationen geschwindigkeitsabhängig sind, und auch, dass Frauen und Männer unterschiedliche Strategien nutzen. Um die Hypothese 2 zu testen, wurde ein Morpho-Funktionaelles Modell des Rumpfes mit Freiheitsgrad 14, basierend auf den Hanavan Modell, vorgeschlagen. Die Ergebnisse der Simulationen konnten nicht widerlegen, dass die visco-elastischen Parameter, die bei der Simulation berechnet werden, eine solide erklärende Kenngröße für die Änderungen der Amplituden, Frequenzen und Phasen der verschiedenen Körpersegmenten des Rumpfes beim Gehen sind. Sie sind auch in der Lage, die intra- und interindividuellen kinematischen Variationen zu erklären. Die hier vorliegende Arbeit stellt zwei unterschiedliche Anwendungsfelder für die visco-elastischen Parameter dar. Das erste ist eine medizinisch orientierte Applikation, während sich das zweite auf bionisch inspirierte Robotik oder morpho-funktionell Maschinen bezieht.

During human motion, the trunk systematically interacts with the extremities. Changes of trunk amplitudes, frequencies and phases can be depicted as a function of gait’s velocity. These changes, however, vary among human beings. In order to find the causes of these intra and inter-individual variations, two possible hypotheses were tested: 1) intra and inter-individual variations of trunk kinematics are due to the segmental mass distribution represented by anthropometry, 2) For a defined mass distribution, and a given velocity, the variations of trunk kinematics are generated due to the changes in the visco-elastic properties of the locomotor system.To check hypothesis 1 a study on 106 volunteers (50 f, 56 m) was performed. No simple relations between 48 anthropometric parameters and the 6 DOF kinematic parameters of the trunk motion during walking at 4 km/h could be identified.Kinematical results of the present work show that the damping mechanisms towards the head (caudo-cranially) vary in dependence of anatomical planes and gender. In addition, the findings of this work display that the so called “compensation mechanism” between head rotations and body or shoulder translations are at first velocity dependent, but also that women and men use different strategies. In order to check hypothesis 2, a 14 DOF functional morphological model of the trunk based on Hanavan’s model was proposed. Results of the simulations could not disprove that visco-elastic parameters, which are obtained by the simulations, are a solid base to explain the change in amplitudes, phases and frequencies of the different body segments in normal walking. They also are able to explain inter and intra-individual kinematical variations. The present work introduces also two different application fields for the simulations and the visco-elastic parameters. The first one is a medically oriented application, while the second is oriented to bionically inspired robots or morphofunctional machines.

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Andrada, Emanuel: A new model of the human trunk mechanics in walking. Ilmenau 2007. Universitätsverlag Ilmenau.

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