Proyecto Opensim

Proyecto final - Opensim

Carolina Carla Abastoflor Torrez, Ana Paula Pérez Aguirre, Ricardo Alfredo Montes Soto

Tecnológico de Monterrey, Escuela de Ingeniería y Ciencias Ciudad de México, México

A01656275@tec.mx A01022773@tec.mx A01651386@tec.mx

Abstract — En este reporte se presenta el desarrollo del proyecto final de la materia de biomecánica, el cual incluye el uso del software OpenSim para realizar actividades que incluyen temas como cinemática inversa, generación y preprocesamiento de        señales.

Palabras clave— articulaciones, músculos, ángulos, OpenSim, cinemática y dinámica inversa, señales sinusoidales,        flexión        y        extensión.

1. INTRODUCCIÓN

Durante los últimos años se han utilizado tecnologías digitales para prácticas educativas dado que estas brindan un entorno similar a la realidad, permitiendo que el aprendizaje sea más efectivo y apegado a un caso real.

Para el desarrollo de esta actividad se utilizó el software OpenSim, el cual contiene modelos con estructuras músculo esqueléticas que son capaces de simular el movimiento. Adicionalmente, este programa ofrece herramientas para el análisis de cinemática y dinámica inversa, proporcionando datos que posteriormente pueden ser interpretados por medio de la utilización de una plataforma de cómputo numérica como MatLab.

Para el análisis de movimientos como flexión y extensión del miembro inferior se hizo uso de la cinemática inversa, el cual es un método que consiste en encontrar los valores de posición que son deseados de alcanzar, esto con la finalidad de que el modelo o robot se posicione y oriente según una determinada localización espacial [1].

Por otra parte, el concepto de dinámica inversa involucra el cálculo de torques o fuerzas a

partir de coordenadas para la obtención del ángulo existente entre las articulaciones [2], estas nos permiten obtener el momento articular máximo.

El movimiento de las articulaciones genera actividad eléctrica de músculos y nervios, las cuales pueden ser medidas por medio de una electromiografía [3]. Estas señales pueden ser pre procesadas posteriormente aplicando filtros que nos permitirán rectificar la señal, acción que hará del análisis un proceso más simple.

1. METODOLOGÍA

Para el desarrollo del presente proyecto, el cual tiene como objetivo la obtención de gráficas que representen el movimiento de articulaciones del modelo Gait 2354 y la creación de señales que serán procesadas por medio de filtros, se utilizaron los softwares OpenSim y Matlab. Estos brindarán resultados gráficos que permitirán una mejor interpretación del movimiento de las articulaciones involucradas.

1. DESARROLLO DE CONTENIDOS

1. Etapa de re escalamiento

Para llevar a cabo este proceso se utilizó la herramienta “Scale model” disponible en el software OpenSim. Esta herramienta permite alterar las dimensiones de un modelo en específico para poder hacerlo similar a otro en particular.

Para este proyecto se utilizó el modelo Gait 2354, el cual es utilizado para el estudio de las articulaciones inferiores.

Primero  se  seleccionó  el modelo  a utilizar,

luego se utilizó la herramienta “Scale model” que se

encuentra en el menú superior de la ventana “Tools”. Al escoger esta herramienta, el software abre una ventana emergente, la cual fue llenada de la siguiente manera:

[pic 1]

Figura 1. Ventana emergente de re escalamiento

En la Figura 1 se puede observar que la masa seleccionada es igual a 75.1646 kg, valor que fue definido por el usuario. En la sección de “Marker data for measurements” se seleccionó el archivo “subject01_static.trc” del modelo Gait 2354, tal archivo fue proporcionado por el software OpenSim. Tras determinar estas características para la etapa de re escalamiento se presionó el comando Run para efectuar la acción.

De esta manera se obtuvo el modelo re escalado a lado del modelo original, se eliminó el primer modelo que no cuenta con las características definidas. En la siguiente figura se presentan ambos modelos.[pic 2]

Figura 2. Modelo original (derecha) y modelo re-escalado (izquierda)

1. Cinemática Inversa

Una vez definidas las características del modelo a trabajar y tras haber realizado el re escalamiento, se prosiguió con la etapa de cinemática inversa. Por medio de esta se obtienen los ángulos de cada articulación y de esta manera se puede observar los movimientos de flexión y extensión. Para este paso se utilizó la herramienta “Inverse Kinematics”, la cual también se encuentra del menú superior en la ventana de Tools y al ser seleccionada abre una ventana emergente que es llenada de la siguiente manera:

[pic 3]

Figura 3. Ventana emergente de la herramienta de cinemática inversa

En la sección de “Marker data for trial” se seleccionó el archivo brindado por OpenSim “subject01_walk1.trc” para el modelo Gait 2354. A su vez, en el apartado de load se cargó el archivo “subject01_Setup_IK.xml”. Una vez seleccionados ambos archivos se dio click en el comando Run, de esta manera se obtuvo la siguiente simulación.

[pic 4]        [pic 5]

Figura 4. Simulación de marcha del modelo seleccionado

De esta manera se obtuvo un archivo de extensión .mot, el cual debe ser modificado para que tenga un formato igual a .txt, esto debido a que posteriormente se trabajará con él en el software de MatLab.

A continuación se presenta el código utilizado para la obtención de gráficas de flexión - extensión de articulaciones como la rodilla, tobillo y la cadera, estas fueron realizadas a partir del archivo

.txt.

[pic 6]

Figura 5. Código para cinemática inversa de la cadera

Figura 6. Código para cinemática inversa de la rodilla

[pic 7]

Figura 7. Código para cinemática inversa del pie

1. Dinámica Inversa

Una vez realizada la etapa de cinemática inversa, se prosiguió con la etapa de dinámica inversa. Por medio de ésta se desea identificar el ángulo presente en las distintas articulaciones que forman el momento articular máximo.

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