Analisi delle proprietà di rigidezza passiva delle articolazioni del tronco e valutazione del loro effetto su un modello multibody = Analysis of the passive stiffness properties of the trunk joints and evaluation of their effect on multibody model

Lo sviluppo e l’utilizzo di modelli numerici a segmenti rigidi articolati per l’intero corpo umano (i cosiddetti ATB, Articulated Total Body) risulta essere sempre più diffuso in diversi ambiti, come ad esempio l’analisi del movimento, la progettazione di dispositivi medici o sportivi, studi ergonomici e l’analisi biomeccanica forense di incidenti. Un modello antropomorfo multi segmentale deve riprodurre il comportamento effettivo del corpo umano nel modo più accurato possibile e ciò dipende dalla corretta definizione delle proprietà inerziali dei segmenti corporei e da una opportuna modellazione delle articolazioni. In particolare, l’implementazione prevede di associare a ciascun vincolo meccanico una legge di resistenza passiva, ossia una formulazione che mette in relazione il momento di resistenza passiva con l’angolo di rotazione del giunto considerato, e che stabilisce il range angolare di movimento (detto ROM) in modo tale da garantire che vengano rispettate le condizioni limite dell’ampiezza angolare fisiologica di movimento. In questo lavoro di tesi ci si è occupati della ricerca ed analisi delle proprietà di resistenza passiva presenti in letteratura delle articolazioni del tronco umano, e della valutazione del loro effetto su un modello antropomorfo ATB, costituito da segmenti corporei rigidi articolati tramite vincoli cinematici. Inizialmente si è posta l’attenzione sulla modellazione delle numerose articolazioni toraciche e lombari, scegliendo di seguire un approccio concentrato: gli undici segmenti di movimento toracici sono stati modellizzati da un giunto sferico a tre gradi di libertà (tre rotazioni), che connette i segmenti associati al torace e all’addome, mentre i quattro segmenti di movimento lombari vengono modellizzati da un vincolo sferico a tre gradi di libertà, che connette l’addome e la pelvi. In seguito ad un’analisi approfondita dei lavori presenti in letteratura, relativa agli studi sperimentali finalizzati alla definizione della resistenza passiva della colonna vertebrale o di sue porzioni, sono state ricavate diverse formulazioni di resistenza. Dopo un confronto analitico, le leggi di resistenza ritenute più accurate, in base a dati clinici noti, sono state implementate nel software MSC Adams, come coppie interne a livello del corrispondente vincolo cinematico di un modello ATB. È stato scelto un caso studio di impatto tra il modello di androide e un’auto allo scopo di effettuare un confronto tra le diverse leggi: le simulazioni numeriche sono state svolte implementando una per volta le leggi di resistenza passiva (di tipo lineare e biesponenziale) ed estraendo le storie temporali del rispettivo angolo di rotazione. In base ai risultati ottenuti, l’implementazione delle leggi di resistenza lineari porta ad andamenti simili delle curve risultanti, con alcune differenze nelle ampiezze dei picchi: la maggiore differenza percentuale tra l’ampiezza angolare massima e minima si è riscontrata per la rotazione assiale dove si sono raggiunte differenze pari al 56% e 75% rispettivamente per il giunto toracico e lombare. L’implementazione delle leggi di resistenza biesponenziali porta ad andamenti temporali e ampiezze angolari più variegati, registrando una differenza percentuale pari al 93% in flessione per il giunto lombare. Sono stati infine condotti confronti tra i dati sperimentali e gli andamenti cinematici del corpo umano simulati numericamente; non si sono riscontrate differenze significative, se non nel caso di leggi definite da ROM molto limitati.