Validazione di un modello multibody ATB antropomorfo mediante dati sperimentali su soggetti viventi = Validation of an anthropomorphic ATB multibody model based on experimental data on living subjects

I modelli multibody articolati (modelli ATB) di androide sono un importante strumento per analisi di tipo biomeccanico. Uno dei principali ambiti di applicazione è il settore automobilistico (crash test simulati) con una netta diminuzione delle tempistiche e dei costi. Tra i modelli ATB hanno avuto un’ampia diffusione quelli in cui le geometrie dei segmenti corporei sono replicate in maniera semplificata tramite ellissoidi (come MADYMO e GEBOD); questi modelli sono robusti e affidabili, ma possono rivelarsi inadeguati nelle applicazioni specifiche per il soggetto (ad esempio ricostruzioni forensi). Da qui nasce la necessità di sviluppare modelli in grado di replicare più fedelmente la morfologia e le proprietà inerziali dei singoli individui. Il presente lavoro di tesi si colloca nell’ambito della validazione di uno specifico modello articolato del corpo umano con caratteristiche antropomorfe, sulla base dell’analisi dei piccoli spostamenti/rotazioni dei segmenti corporei e delle articolazioni. Il modello ATB implementato ha la caratteristica di essere passivo, non vengono cioè inclusi muscoli e altri tessuti molli, come tendini e legamenti. Ciò ha richiesto uno sforzo in più nell’individuazione delle condizioni sperimentali adatte alla sua validazione: sono stati utilizzati dati raccolti da test sperimentali, relativi ad una precedente attività, svolti su soggetti viventi e consistenti nell’applicazione di un carico impulsivo al livello del busto, con l’obiettivo di destabilizzare il soggetto ed ottenere una risposta in termini di spostamenti dei segmenti e rotazioni delle articolazioni. Gli spostamenti e le rotazioni sono stati acquisiti e ricostruiti mediante il sistema Vicon; inoltre è stata svolta un’analisi del segnale elettromiografico dei muscoli della parte bassa della schiena e del gastrocnemio per individuare la finestra temporale in cui non si verificano attivazioni muscolari oltre a quelle richieste per mantenere la posizione eretta. Le medesime condizioni sono state replicate a livello numerico in ambiente MSC Adams, e i dati ricavati sono stati esportati e analizzati tramite MATLAB. Per confrontare quantitativamente le serie di dati a disposizione si è scelto di utilizzare la metrica EARTH, che quantifica le discrepanze tra le serie di dati fornite in ingresso valutando l’errore di fase, di ampiezza e di forma: valori nulli di errore indicano una perfetta corrispondenza tra le serie temporali. Dall’analisi dei piccoli spostamenti/rotazioni è emersa un’eccessiva rigidezza nella risposta del modello numerico rispetto ai dati sperimentali. In particolare, le articolazioni di ginocchio e anca si sono rivelate tra le più critiche, con errori di ampiezza e di forma compresi, rispettivamente, tra 0.984 e 1.003 e tra 0.870 e 1.074 per il ginocchio e tra 0.986 e 1.042 e tra 0.894 e 1.110 per l’anca. Ciò ha messo in evidenza la necessità di apportare delle modifiche alla modellazione delle condizioni iniziali dell’androide. Sono dunque stati individuati e implementati diversi approcci per replicare una configurazione di partenza del modello ATB più ‘rilassata’ e dunque più conforme alla condizione iniziale reale. Ripetendo le simulazioni e i confronti in maniera analoga a quanto fatto sui modelli di partenza, sono stati identificati i metodi più efficaci a questo scopo. Il risultato è stato un miglioramento generale della risposta del modello, con una diminuzione delle discrepanze tra l’andamento delle curve numeriche e sperimentali.