Performance optimization of a 7 DoF human upper-limb: a preliminary study on basketball free-throw

Abstract

Para competirem em alto nível, atletas são levados ao limite de suas capacidades física e mental. Entretanto, a fadiga consequente de um esforço excessivo e constante geralmente ocasiona lesões, algumas delas severas, que podem até mesmo significar um encerramento prematuro de carreira. Assim, fazem-se comuns na literatura estudos biomecânicos voltados para a identificação dos principais desafios de cada esporte, com objetivo de permitirem que atletas melhorem seu desempenho ao mesmo tempo em que reduzem o risco de ocorrência de lesões. Entretanto, ainda que com essas pesquisas, os custos de aquisição de equipamentos e de manutenção de ambientes controlados, necessários para avaliações quantitativas de desempenho, fazem com que as tecnologias desenvolvidas nesses estudos sejam quase que exclusivas a atletas de elite. Como alternativa, a maioria dos treinadores realizam avaliações através de análises qualitativas, ao compararem os movimentos de seus atletas com uma referência, geralmente, baseada em um esportista de nível superior. Uma vez que cada ser humano possui características próprias, como altura, massa, metabolismo e capacidades de torque, a melhor técnica para um atleta pode não ser a mais apropriada para outro, fazendo com que essas análises qualitativas não sejam a estratégia de treinamento mais recomendada. Soma-se a isso o fato de que essas pesquisas geralmente são focadas em atletas saudáveis, havendo consideravelmente menos atenção para esportes quem envolvem atletas com algum tipo de deficiência, quando a necessidade de soluções personalizadas se torna ainda maior. O objetivo dessa dissertação é o desenvolvimento de um método para geração de trajetórias ótimas personalizadas para o braço humano, representado como uma cadeia cinemática serial de 7 graus de liberdade. Espera-se que, com o método proposto, atletas possam ter referências sobre como podem melhorar desempenho ao mesmo tempo em que reduzem os riscos de lesões. Baseado nas teorias de grafos e de helicoides, o método de Davies é utilizado para solução da cinemática diferencial e da estática do mecanismo. Três rotinas de otimização são implementadas, uma para cálculo das velocidades das juntas, outra para a otimização da postura e a terceira para geração de trajetórias ótimas. Uma quarta rotina de otimização, opcional, pode ser utilizada para variar o ponto de término da trajetória. As propriedades elásticas dos músculos são definidas como molas torcionais atuando diretamente no ombro, cotovelo e punho, enquanto que os torques máximos foram estimados como torques isométricos e como funções dos ângulos em cada articulação. Como estudo preliminar, o método proposto é aplicado no cálculo do movimento ótimo para o arremesso livre de basquete, visando a minimização do consumo energético durante o lançamento. Como principal conclusão, o método se mostrou com potencial para trazer benefícios para esportes e outras atividades em que esforços elevados e repetitivos são necessários.

Abstract: In order to compete at high levels, athletes are pushed to the limits of their physical and mental capacities. However, the fatigue consequent from an excessive and constant effort often lead to injuries, which may even result in premature career termination depending on its severity. As a consequence, biomechanical studies aiming the identification of the main challenges of each sport have been common in the literature, in an attempt to allow athletes to improve their performance at the same time that they reduce injury risks. Even so, the costs for equipment acquisition and for maintenance of the controlled environments required for quantitative performance assessments make the technologies developed in these studies almost exclusive to elite players. Alternatively, most coaches carry out performance evaluations through qualitative analysis by comparing their athlete?s movements to a reference, usually based on a higher level player. Once each human being has his or her own characteristics, such as height, mass, metabolism and torque capacities, the best technique for one athlete may not be appropriate for another, so that these qualitative analysis may not be the most recommended training strategy. Furthermore, researches are usually focused on able-bodied players, with considerably less attention being paid to sports involving athletes with disability, when the need for personalized solutions becomes even greater. The objective of this master thesis is the development of a method for generating personalized optimum trajectories for an upper-limb modeled as a 7 DoF serial kinematic kinematic chain, allowing athletes to have references on how they can improve performance and reduce injury risks. Based on graph and screw theories, the Davies method is used to solve the mechanism's differential kinematic and static. Three optimization routines are implemented: one for determination of articulations' angular velocities, one for posture optimization and the third to calculate the optimal trajectory. An optional fourth optimization routine can be used to vary the trajectory's end point. The elastic properties of the muscles are defined as torsional springs acting directly on the shoulder, elbow and wrist, whereas the maximum torques for each of these articulations were estimated as the isometric torques and functions of the angles in each joint. As a preliminary study, the developed algorithms are applied in the calculation of the optimum motion for a basketball free-throw, aiming to minimize the energy consumption during the shot. As a main conclusion, the proposed method was considered with potential to contribute to sports and other activities in which high and repetitive efforts are necessary.