Πειραματική εύρεση τροχιάς στιγμιαίου κέντρου περιστροφής της άρθρωσης ώμου, με χρήση καμερών MoCap

Βαζάτης, Νικόλαος; Vazatis, Nikolaos

dc.contributor.author	Βαζάτης, Νικόλαος	el
dc.contributor.author	Vazatis, Nikolaos	en
dc.date.accessioned	2015-06-05T10:58:17Z
dc.date.available	2016-06-05T02:00:13Z
dc.date.issued	2015-06-05
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/40808
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.9399
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Εμβιομηχανική	el
dc.subject	Biomechanics	el
dc.subject	Ώμος	el
dc.subject	Τροχιά στιγμιαίου κέντρου περιστροφής	el
dc.subject	Καταγραφή κίνησης	el
dc.subject	Εξωσκελετοί	el
dc.subject	Shoulder	en
dc.subject	Instantaneous center of rotation	en
dc.subject	Motion capture	en
dc.subject	Exoskeletons	en
dc.title	Πειραματική εύρεση τροχιάς στιγμιαίου κέντρου περιστροφής της άρθρωσης ώμου, με χρήση καμερών MoCap	el
dc.title	Experimental estimation of the shoulder joint instant center of rotation loci using a MoCap system	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ρομποτική	el
heal.classification	Robotics	en
heal.language	el
heal.access	free	el
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-03-20
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνάται ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά της κινηματικής αρθρώσεων του ανθρώπινου σκελετικού συστήματος, αυτό του στιγμιαίου κέντρου περιστροφής. Η πειραματική μελέτη επικεντρώνεται στην εύρεση της τροχιάς στιγμιαίου κέντρου περιστροφής της σφαιρικής άρθρωσης ώμου, με χρήση συστήματος καμερών Motion Capture (MoCap). Αρχικά, μελετήθηκε η σκελετική ανατομία της ωμικής άρθρωσης και η κινησιολογία του άνω άκρου. Ακολούθησε εξοικείωση με το σύστημα καμερών MoCap της PhaseSpace και συλλέχθηκαν πληροφορίες, ειδικά για τη λήψη μετρήσεων από ανθρώπινο σώμα καθώς και για τεχνικές βελτίωσης αυτών από τη διάδοση σφαλμάτων και θορύβου. Για την εύρεση του στιγμιαίου κέντρου περιστροφής άκαμπτου σώματος, μελετήθηκαν οι λειτουργικές μέθοδοι ελαχίστων τετραγώνων των Gamage-Lasenby, αντιστάθμισης συστηματικών σφαλμάτων, τροποποιημένης μεθόδου μεσοκαθέτων (Reuleaux) των Halvorsen et al., και η μέθοδος μετασχηματισμού, συμμετρικής εκτίμησης κέντρου περιστροφής. Παράλληλα, προτείνεται μια νέα μέθοδος εύρεσης της τροχιάς μεταβλητού κέντρου περιστροφής, για εφαρμογή σε εξωσκελετικά συστήματα ώμου. Στην προτεινόμενη μέθοδο, η εύρεση της τροχιάς των στιγμιαίων κέντρων περιστροφής, προκύπτει από την τομή των καθέτων στις εφαπτόμενες των τροχιών, που διαγράφουν οι δείκτες του συστήματος MoCap. Οι μετρήσεις θέσεως κατά την κίνηση του άκαμπτου σώματος στον τρισδιάστατο χώρο, αρχικά υποβιβάστηκαν σε μετρήσεις δύο διαστάσεων (κίνηση σε επίπεδο), με τη μέθοδο Principal Component Analysis (PCA). Η αξιοπιστία των μεθόδων εύρεσης του στιγμιαίου κέντρου περιστροφής, ερευνήθηκε αρχικά με: • Προσομοιώσεις, που προήλθαν από μοντέλο στο Solidworks, πέντε βαθμών ελευθερίας και μεταβλητού κέντρου περιστροφής. • Μετρήσεις MoCap από κινούμενο φυσικό σώμα στο χώρο, ενός βαθμού ελευθερίας και σταθερού κέντρου περιστροφής. Επιπλέον, εξάγονται συμπεράσματα από την εφαρμογή των μεθόδων σε μετρήσεις, που ελήφθησαν κατά την απαγωγή-προσαγωγή της γληνοβραχιόνιας άρθρωσης. Οι κινήσεις του άνω άκρου εκτελέσθηκαν παράλληλα, κάθετα και ενδιάμεσα των ανατομικών επιπέδων που ορίζονται από το ανθρώπινο σώμα. Ακόμη, παρουσιάζεται μια εκτενής διερευνητική μελέτη των μεθόδων και των τεχνικών εύρεσης κέντρων περιστροφής της γληνοβραχιόνιας άρθρωσης, που χρησιμοποιούνται στις ερευνητικές περιοχές τις εμβιομηχανικής και της ρομποτικής.Μελλοντική εργασία αποτελεί η υιοθέτηση ενός πρωτοκόλλου ταυτόχρονης επεξεργασίας μυοηλεκτρικών σημάτων και υπολογισμού της τροχιάς στιγμιαίων κέντρων περιστροφής, καθώς και η μελέτη της δυναμικής της άρθρωσης ώμου με σκοπό την υλοποίηση εξωσκελετικού μηχανισμού προσαρμοζόμενου κέντρου περιστροφής. Ο τελευταίος, θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην αποκατάσταση ανθρώπων με μυϊκά και κινητικά προβλήματα των άνω άκρων.	el
heal.abstract	In this diploma thesis, one of the most important characteristics of joints kinematics found in human skeletal system, that of instantaneous center of rotation (ICoR), is investigated. The study is validated via experiments in finding the instantaneous center of rotation trajectory of the shoulder ball-and-socket joint using Motion Capture (MoCap) data. At the beginning, the skeletal anatomy of the shoulder complex and the kinesiology of the upper extremity were studied. These were followed by familiarization with the PhaseSpace MoCap camera system and information acquisition, regarding measurements obtained from human motion in particular. In addition, improvement methods due to error and noise propagation in measurements were studied. The functional methods of new least squares by Gamage-Lasenby, bias compensated least squares, modified method of bisectors (Reuleaux) by Halvorsen et al., and the transformation method SCoRE (Symmetrical CoR Estimation), were studied to find the ICoR of a rigid body. A new method was developed with application in shoulder exoskeletons that adopt a dynamic center of rotation. In the proposed method, the trajectory of shoulder ICoR, results as the intersection points between the perpendiculars to trajectories tangents, formed by the motion of MoCap led markers. The position measurements during rigid body movement in 3D space were initially reduced in two dimensions (planar movement) using Principal Component Analysis (PCA). The reliability of the methods used to find the ICoR was researched as follows: • Simulation measurements from a Solidworks model of five degrees of freedom (5-dof) and variable center of rotation were initially used. • MoCap measurements taken from a rigid body, of 1-dof and fixed center of rotation, moving in real 3D space, were used. The previous methods were applied in measurements obtained during abduction-adduction of the glenohumeral joint (GHJ). The movements of the upper extremity were conducted parallel, perpendicular and medial to the anatomical planes, defined by human body. Furthermore, an exploratory study between the most common methods of CoR estimation is performed, between the research fields of biomechanics and robotics. Future work encompasses the adoption of a unified protocol combining the simultaneous processing of shoulder myoelectric signals and ICoR’s computation, as well as a study on shoulder dynamics. This work will come in handy for the long term goal which is the implementation of an exoskeleton mechanism with dynamic center of rotation. This mechanism could be used for rehabilitation purposes by people experiencing muscle and kinetic problems of their upper extremities.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Αντωνιάδης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Κυριακόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Σημάτων, Ελέγχου και Ρομποτικής. Εργαστήριο Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	113 σ.
heal.fullTextAvailability	true