Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.26
no.6
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pp.122-130
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2009
The analysis of human movement requires the knowledge of the Hill type muscle parameters, the muscle-tendon and moment arm length change as a function of joint angles. However, values of a subject's muscle parameters are very difficult to identify. It turns out from a sensitivity analysis that the tendon slack length and maximum muscle force are the two critical parameters among the Hill-type muscle model. Therefore, it could be claimed that the variation of the tendon slack length and maximum muscle force from the Delp's reference data will change the muscle characteristics of a subject remarkably. A numeric optimization method to search these tendon parameters specific to a subject is proposed, and the accuracy of the developed algorithm is evaluated through a numerical simulation.
This paper introduces a method of estimating the knee joint moment developed during MVC. By combining the Hill-type muscle model and analytic results on moment arm and musculotendon length change as a function of hip and knee joint angle, the knee joint moment at a specific knee joint angle during MVC is determined. Many differences between the estimated results and the experimental data are noted. It is believed that these differences originate from inaccurate information on the muscle-tendon parameters. The establishment of exact values for the subject's muscle parameters is almost impossible task. However, sensitivity analysis shows that the tendon slack length is the most critical parameter when applying the Hill-type muscle model. The effect of a change of this parameter on the muscle length force relationship is analyzed in detail.
Muscle force prediction in forward dynamic analysis of human motion depends many muscle parameters associated with muscle actuation. This research studies the effects of various parameters of Hill type muscle model using the simple hand raising motion. Motion analysis is carried out using motion capture system, and each muscle force is recorded for comparison with muscle model generated muscle force. Using Hill type muscle model, muscle force for generating the same hand rasing motion was setup adjusting 5 activation parameters. The test showed the importance of activation parameters on the accurate generation of muscle force.
Recently, lots of studies are performed in developing of active orthosis. Exact and simple muscle force estimation is important in developing orthosis which assists muscle force for disabled people or physical laborers. Hill-type muscle model dynamics is common method for estimation of muscle forces. In Hill-type muscle model, we must know muscle length and moment arm which largely affect muscle force. And several methods are proposed to estimate muscle length and moment arm using joint angle. In this study, we compared estimation results of those method with data from body model of opensim to find which method is exact for estimation of muscle length and moment arm.
This study validated the musculoskeletal model of the human lower extremity by comparative study between calculated muscle parameters through simulation using modified hill-type model and measured them through isokinetic exercise. And the relationship between muscle forces and moments participated in motion was quantified from the results of simulation. For simulation of isokinetic motion, a three-dimensional anatomical knee model was constructed using trials of gait analysis and the EMG-force model was used to determine muscle activation level exciting muscles. The modified Hill-type model was used to calculate individual muscle forces and moments in dynmaic analysis and the results were validated by comparing them of experiments on BIODEX. The results showed that there was a high correlation between calculated torques from simulation and measured them from experiments for isokinetic motion(R=0.97). Therefore we concluded that the simulation by using musculoskeletal model was so useful means to predict and convalesce musculoskeletal-related diseases, and analyze unrealizable experiment such as clash condition.
A musculotendon model is investigated to show muscle fatigue under the repeated functional electrical stimulation (FES). The normalized Hill-type model can predict the decline in muscle force. It consists of nonlinear activation and contraction dynamics including physiological concepts of muscle fatigue. A muscle fatigue as a function of the intracellular acidification, pHi is inserted into contraction dynamics to estimate the force decline. The computer simulation shows that muscle force declines in stimulation time and the change in the estimate of the optimal fiber length has an effect only on muscle time constant not on the steady-state tetanic force.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.38
no.1
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pp.57-62
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2014
Most analytical models of the human body have focused on conscious responses. A patellar tendon reflex, a representative example of spinal reflexes, occurs without a neural command. Muscle forces and activation of the quadriceps femoris muscles in healthy adults during patellar tendon reflex are identified in this study. The model is assumed to move in the sagittal plane, and the thigh and the trunk are assumed to be fixed in a sitting position so that the shank can move similar to a pendulum. The knee joint is modeled as a revolute joint, and the ankle joint is modeled as a fixed joint so that the shank and the foot can be regarded as one rigid body. Muscle forces are calculated following the inverse dynamic approach. Kinematic data obtained from an experiment (Mamizuka, 2007) are used as input data. Muscle activations are identified using a Hill-type muscle model. The obtained simulation results are compared with experimental results for validating the model and the underlying assumptions.
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers A
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v.48
no.11
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pp.1476-1478
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1999
A musculotendon model is proposed to predict muscle force during muscle fatigue due to the continuous functional electrical stimulation(FES). Muscle fatigue dynamics can be modeled as the electrical admittance of muscle fibers and included in activation dynamics based on the{{{{ { Ca}^{2+ } }}}} kinetics. The admittance depends on the fatigue variable that monotonically increase or decrease if electrical pulse exists or not, and on the stimulation parameters and the number of applied pulses. In the response of the change in activation the normalized Hill-type contraction dynamics connected with activation dynamics decline the muscle shortening velocity and thus its force under muscle fatigue. The computer simulation shows that the proposed model can express the muscle fatigue and its recovery without changing any stimulation parameters.
A finite element model development of a 50th percentile male cervical spine is presented in this paper. The model consists of rigid, geometrically accurate vertebrae held together with deformable intervertibral disks, facet joints, and ligaments modeled as a series of nonlinear springs. These deformable structures were rigorously tuned, through failure, to mimic existing experimental data; first as functional unit characterizations at three cervical levels and then as a fully assembled c-spine using the experimental data from Duke University and other data in the NHTSA database. After obtaining satisfactory validation of the performance of the assembled ligamentous cervical spine against available experimental data, 22 cervical muscle pairs, representing the majority of the neck's musculature, were added to the model. Hill's muscle model was utilized to generate muscle forces within the assembled cervical model. The muscle activation level was assumed to be the same for all modeled muscles and the degree of activation was set to correctly predict available human volunteer experimental data from NBDL. The validated model is intended for use as a post processor of dummy measurement within the simulated injury monitor (SIMon) concept being developed by NHTSA where measured kinematics and kinetic data obtained from a dummy during a crash test will serve as the boundary conditions to "drive" the finite element model of the neck. The post-processor will then interrogate the model to determine whether any ligament have exceeded its known failure limit. The model will allow a direct assessment of potential injury, its degree and location thus eliminating the need for global correlates such as Nij.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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