Modellierung und Simulation menschlicher Bewegungen mittels effizienter Vorwärtsdynamiksimulation

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Die Modellierung des zeitveränderlichen, dynamischen Verhaltens des menschlichen Bewegungsapparats führt auf ein hochdimensionales mechanisches Mehrkörpersystem, bestehend aus Teilmodellen für Skelett und Schwabelmassen, Muskeln und Sehnen als redundante Antriebe sowie Optimierungsmodellen zur Simulation der an einer Bewegung beteiligten Muskelgruppen. Im Gegensatz zur Rückwärtssimulation zur Simulation der für eine vorgegebene Bewegung erforderlichen Muskelsteuerungen ist die Vorwärtsdynamiksimulation aufgrund der enorm hohen Komplexität der resultierenden optimalen Steuerungsprobleme bisher nur für vereinfachte Modelle mit einzelnen Gliedmaßen möglich. Ziel des Projekts ist die integrierte Entwicklung neuer Methoden zur effizienten, modularen und objektorientierten, kinetischen Modellierung sowie der Simulation und Steuerung des menschlichen Muskel-Skelett-Apparates mit Optimierungsverfahren, durch die die Vorwärtsdynamiksimulation zur Untersuchung von Bewegungen mit vielen beteiligten Muskelgruppen, die Berücksichtigung allgemeiner Muskelmodelle und allgemeiner Gütekriterien bei der Steuerung redundanter Muskelgruppen in einer bisher nicht erreichten Effizienz ermöglicht wird. Darüber hinaus wird eine neue Optimierungsmethodik zur Schätzung von bei menschlichen Bewegungen implizit verwendeten Gütekriterien zur Steuerung redundanter Muskeln und damit zur Validierung von Optimierungshypothesen entwickelt. Schließlich soll ein weltweit in Umfang, Komplexität und Vollständigkeit der Modell- und Messdaten einmaliger Benchmarkdatensatz für komplexe Laufbewegungen erstellt und veröffentlicht werden. Durch die im Projekt geplanten Methoden können die Voraussetzung für gänzlich neue Perspektiven für Untersuchungen im Bereich der Arbeitswissenschaften, Medizin und Biologie eröffnet werden.