In recent years, there has been a growing research interest in the field of musculoskeletal gait, with a
focus on enhancing the walking ability of older adults and individuals with disabilities due to accidents
or illnesses. This research endeavours to comprehend the physical behaviour of muscles, ligaments,
and joints that contribute to this movement.
The objective of this thesis is to examine and compare the various contact model approaches used to
analyse and simulate the contact forces and moments arising on the contact of human joints,
particularly in the knee and knee prosthesis. Additionally, the study aims to integrate tangential forces
into the original model which only considers normal forces in pressure contact models, and to evaluate
and analyse the resulting differences in a tracking problem.
To accomplish the objectives of this study, an automatic differentiation tools were employed calculate
derivatives to solve an optimal control problem (OCP) using the CasADi library in a Matlab program.
Therefore, the model needed to be continuously differentiable. The contact models developed within
the group were tested, the results show that the original model had moderate accuracy in predicting
lateral knee contact force (���
2
value of 0.46 and an RMSE of 259.7 N) and better accuracy in predicting
medial knee contact force (���
2
value of 0.62 and an RMSE of 132.6 N). The inclusion of tangential forces
in the pressure contact model led to mixed results, such as improved performance in hip flexion, but a
decrease in accuracy for predicting both lateral and medial knee contact forces. The study indicates
the need for further improvement in mesh-based contact models for knee joint simulation, especially
in the inclusion of tangential forces.En els darrers anys, hi ha hagut un interès creixent en la recerca en el camp de la marxa humana i
l’estudi de la biomecànica musculoesquelètica, centrada en millorar la capacitat de caminar de les
persones grans i les persones amb discapacitats a causa d'accidents o malalties.
Aquesta recerca s’esforça per comprendre el comportament físic dels músculs, lligaments i
articulacions que contribueixen a aquest moviment. L'objectiu d'aquesta tesi és examinar i comparar
les diferents aproximacions del model de contacte utilitzades per analitzar i simular les forces i
moments que es produeixen a les superfícies de contacte de les articulacions humanes, especialment
al genoll i a una pròtesi de genoll.
A més, l'estudi té com a objectiu integrar les forces tangencials al model original, que només considera
les forces normals en els models de contacte, i avaluar i analitzar les diferències obtingudes en un
problema de seguiment de dades experimentals. Per aconseguir els objectius d'aquest estudi s'ha
emprat un mètode de diferenciació automàtica per calcular les derivades de les expressions
matemàtiques i resoldre un problema de control òptim (OCP) utilitzant la llibreria CasADi en Matlab.
Es van analitzar els models de contacte desenvolupats al grup SIMMA Lab. Els resultats mostren que el
model original va tenir una precisió moderada en la predicció de la força de contacte lateral del genoll
(valor ��
2 de 0.46 i un RMSE de 259.7 N) i una millor precisió en la predicció de la força de contacte
medial del genoll (valor ��
2 de 0.62 i un RMSE de 132.6 N). La inclusió de les forces tangencials en el
model de pressió de contacte va donar resultats regulars. Per una banda es va obtenir una millora en
la flexió del maluc, però una disminució en la precisió per predir les forces de contacte lateral i medial
del genoll.
L'estudi indica la necessitat de millores addicionals en els models de contacte basats en malles per a la
simulació de l'articulació del genoll, especialment en la integració de les forces tangencials.En los últimos años, ha habido un creciente número de investigaciones en el campo de investigación
de la marcha humana y la biomecánica musculoesquelética, con el objetivo de mejorar la capacidad
de caminar de personas mayores y personas con discapacidades debido a accidentes o enfermedades.
Esta investigación se esfuerza en comprender el comportamiento físico de los músculos, ligamentos y
articulaciones que contribuyen a este movimiento.
El objetivo de esta tesis es examinar y comparar las diferentes metodologías de modelos de contacto
utilizadas para analizar y simular las fuerzas y momentos de contacto en las articulaciones humanas,
especialmente en la rodilla y en la prótesis de rodilla. Además, el estudio busca integrar las fuerzas
tangenciales en el modelo original, que solo considera las fuerzas normales en los modelos de contacto
de presión, y evaluar y analizar las diferencias resultantes en un problema de seguimiento.
Para lograr los objetivos de esta investigación, se utilizó un método de diferenciación automática para
calcular las derivadas de expresiones matemáticas y resolver un problema de control óptimo (OCP)
utilizando la librería CasADi en Matlab. Se analizaron los modelos de contacto desarrollados dentro del
grupo SIMMA Lab. Los resultados muestran que el modelo original tuvo una precisión moderada en la
predicción de la fuerza de contacto lateral de la rodilla (valor �
2 de 0.46 y un RMSE de 259.7 N) y una
mejor precisión en la predicción de la fuerza de contacto medial de la rodilla (valor �
2 de 0.62 y un
RMSE de 132.6 N). La inclusión de fuerzas tangenciales en el modelo de contacto dio resultados
regulares. Por un lado, se obtuvo un mejor seguimiento de la flexión de cadera, pero por otro lado se
obtuvo una disminución en la precisión para predecir tanto la fuerza de contacto lateral como medial
de la rodilla.
El estudio indica la necesidad de mejorar los modelos de contacto basados en malla para la
simulación de la articulación de la rodilla, especialmente en la incorporación de fuerzas tangenciales
