Two-Dimensional Versus Three-Dimensional Symmetric Lifting Motion Prediction Models: A Case Study
Two-Dimensional Versus Three-Dimensional Symmetric Lifting Motion Prediction Models: A Case Study
复制标题
二维与三维对称提升运动预测模型：案例研究
DOI：
10.1115/1.4049217
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发表时间：
2021
影响因子：
3.1
通讯作者：
Yang, James
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Zaman, Rahid;Xiang, Yujiang;Cruz, Jazmin;Yang, James
对称移位是日常生活中常见的手动材料处理策略，也是引起腰痛的主要原因。在文献中，对称提升主要通过使用二维（2D）模型来模拟，因为它们简单且计算成本低。然而，在实践中，对称提升可以产生不对称动力学，特别是当提升重量很重时，并且基于2D模型的对称提升错过了这种重要的不对称动力学信息。因此，三维（3D）模型是必要的对称提升模拟捕捉非对称动力学。本个案研究的目的是比较使用2D和3D人体模型的对称举重的优化公式和仿真结果，并确定其优点和缺点。在本个案研究中，10自由度（DOFs）的2D骨骼模型和40自由度的3D骨骼模型分别用于预测对称的最大举重运动。吊装问题是一个多目标优化（MOO）问题，以尽量减少动态努力，最大限度地提高箱重。采用逆动力学优化方法确定了考虑动态连接强度的最优提升运动和最大提升重量。实验室实验进行了验证预测的运动。将受试者#8的2D和3D人体模型的预测提升运动、地面反作用力（GRF）和最大箱子重量与实验数据进行比较。提出了建议。
Symmetric lifting is a common manual material handling strategy in daily life and is the main cause of low back pain. In the literature, symmetric lifting is mainly simulated by using two-dimensional (2D) models because of their simplicity and low computational cost. In practice, however, symmetric lifting can generate asymmetric kinetics especially when the lifting weight is heavy and symmetric lifting based on 2D models misses this important asymmetric kinetics information. Therefore, three-dimensional (3D) models are necessary for symmetric lifting simulation to capture asymmetric kinetics. The purpose of this single-subject case study is to compare the optimization formulations and simulation results for symmetric lifting by using 2D and 3D human models and to identify their pros and cons. In this case study, a 10-degrees-of-freedom (DOFs) 2D skeletal model and a 40-DOFs 3D skeletal model are employed to predict the symmetric maximum weight lifting motion, respectively. The lifting problem is formulated as a multi-objective optimization (MOO) problem to minimize the dynamic effort and maximize the box weight. An inverse dynamic optimization approach is used to determine the optimal lifting motion and the maximum lifting weight considering dynamic joint strength. Lab experiments are carried out to validate the predicted motions. The predicted lifting motion, ground reaction forces (GRFs), and maximum box weight from the 2D and 3D human models for Subject #8 are compared with the experimental data. Recommendations are given.
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