Constraint analysis of the human knee structures in different ranges of flexion-extension and its representation by Theory of Mechanisms

Abstract

Articulações do corpo humano possuem uma biomecânica que pode ser muito complexa, como é o caso do joelho. O movimento de flexão do joelho humano une rotação com translação em um espaço de trabalho tridimensional, sendo restringido e suportado por suas estruturas internas, apresentando um grande desafio ao tentar replicar seu movimento interno durante uma simples caminhada. Esta dissertação tem por objetivo discutir sobre as estruturas do joelho humano, sua biomecânica e possíveis equivalências em projeto de mecanismos. Tendo por objetivo revisar os modelos de mecanismos já propostos na literatura e revisar estudos clínicos. Identificar as restrições ativas impostas pelas estruturas do joelho humano em cada movimento equivalente a um grau de liberdade. Através da análise dos estudos clínicos é proposta uma nova abordagem para o desenvolvimento de mecanismos equivalentes ao joelho humano, replicando as restrições impostas pelos ligamentos e utilizando dados experimentais de inserção ligamentar na construção dos mecanismos propostos. O desenvolvimento do modelo teve por objetivo geral, contribuir para o desenvolvimento de próteses e contribuir no estudo de distribuição de forças dentro do joelho humano. Para tal, foi aplicada uma análise de trajetória e posteriormente, uma análise estática, replicando um estudo experimental e comparando os resultados. O modelo proposto mostrou potencial para o desenvolvimento de mecanismos planares com trajetória similar ao joelho humano, e trouxe discussão sobre a representação mecânica dos ligamentos para uma análise estática, propondo algumas considerações. A presente dissertação também trouxe uma introdução para a discussão sobre o uso de mecanismos reconfiguráveis em aplicações biomecânicas.

Abstract: Joints of the human body have a biomechanics that can be very complex, as is the case of the knee. The human knee flexion-extension movement unites rotation with translation in a three-dimensional workspace, being constraint and supported by its internal structures, presenting a great challenge when one intends to replicate the internal movement of the knee in, what may be call, a simple walk. This thesis aims to discuss the structures of the human knee, its biomechanics and possible equivalences in mechanisms design. The present work aims to review the models of mechanisms already proposed in the literature and review clinical studies, identifying the active constraints imposed by the structures of the human knee in equivalent degrees of freedom. Through the analysis of clinical studies is proposed a new approach to the development of mechanisms equivalent to the human knee, replicating the constraints imposed by the main ligaments and using experimental data of ligament insertion areas. The development of the model aims to contribute in the development of prostheses and contribute to the study of force distribution within the human knee. Therefore, a trajectory analysis was made and then a static analysis, replicating an experimental study and comparing the results to the experimental data. The proposed model showed potential for the development of planar mechanisms with a similar trajectory to the human knee, and brought to discussion the mechanical representation of the ligaments for a static analysis, proposing some considerations. This thesis also brought an introduction to the discussion about the use of reconfigurable mechanisms in biomechanical applications.