Computational methods for the kinematic analysis of diarthrodial joints

Allmendinger, Felix; Corves, Burkhard (Thesis advisor); Parenti-Castelli, Vincenzo (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2015)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Kurzfassung

Ein diarthrodiales Gelenk besteht aus mindestens zwei von Knorpelummantelten artikulierenden Knochenoberflächen. Diese beiden Oberflächen bewegen sich relativ zueinander und übertragen Kräfte. Entscheidend für die kinematischen Zusammenhänge in solch einem Gelenk sind die Formen der beiden Oberflächen, denn diese ermöglichen bzw. beschränken die Relativbewegung und entscheiden über die Güte der Kraftübertragung. Diese Abhängigkeit der Gelenkkinematik von den Formen der artikulierenden Oberflächen bleibt in idealen Gelenken, die häufig in Simulationsmodellen des menschlichen Bewegungsapparates verwendet werden, unberücksichtigt. Mit bildgebenden Verfahren am menschlichen Körper wurden diese Formen zwar in einer Vielzahl von Studien ermittelt, die nachfolgende Analyse der Kraftübertragung erfolgte allerdings entweder nur in einigenwenigen statischen Posen oder aber die Geometrien dienen lediglich der Ermittlung der Relativbewegung. Es ist jedoch offensichtlich, dass die Analyse der Kraftübertragung zwischen bewegten Objekten sowohl ihrer Geometrie als auch ihrer Bewegung bedarf. In dieser Arbeit werden Methoden vorgestellt, mit denen die Kraft- und Bewegungsübertragung zwischen komplex geformten Oberflächen in Kontakt analysiert werden kann. Diese Methoden werden aus etablierten Vorgehensweisen aus dem Maschinenbau entwickelt: artikulierende Gelenkflächen werden als ein allgemeiner Fall technischer Gelenke angesehen. Messdaten aus dem lebenden Körper können nicht direkt in Verfahren zur Analyse von technischen Gelenken verwendet werden, da die Geometrie der Gelenkflächen und ihre Relativbewegung deutlich komplexer sind. Daher werden in dieser Arbeit zwei verschiedene Ansätze verfolgt: einerseits werden Methoden vorgestellt, um in-vivo gemessene Daten aufzubereiten. Andererseits werden bekannte Verfahren aus dem Maschinenbau generalisiert, so dass sie eine allgemeine Form von Geometrie- und Bewegungsdaten verarbeiten können. Ein wichtiges Merkmal der entstehenden Werkzeugkette ist, dass diese Geometrie- und Bewegungsdaten gleichzeitig Eingang finden. Die Methodik wird auf Daten angewandt, die in-vivo an der menschlichen Handwurzelgewonnen wurden. Das Ergebnis dieser Arbeit sind Methoden zur Berechnung von Kennzahlen der Kraft und Bewegungsübertragung zwischen bewegten Knochenoberflächen. Diese Kennzahlen können für gesunde ebenso wie für krankhaft veränderte Gelenke berechnet werden. So können diese Methoden zum Verständnis der Gelenkkinematik ebenso beitragen wie zur künftigen Verbesserung von medizinischen Eingriffen.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik [411910]