Development of a measurement setup for quantification of the vibration characteristics of the hand-arm-system by inertial measurement units

Abstract

Dos síntomas caracterizan la enfermedad de Parkinson: el temblor patológico y la espasticidad en las extremidades. Ambos síntomas influyen significativamente en las actividades de movimiento deseadas, especialmente en el sistema mano-brazo (HAS, por sus siglas en inglés). Desde un punto de vista biomecánico, las características dinámicas del HAS pueden representarse mediante su impedancia. Una condición anormal podría manifestarse en un cambio de impedancia fuera del rango normal. En este sentido, la caracterización del comportamiento dinámico del HAS proporciona información crucial no solo para la determinación de un estado, sino también para cuantificar dicho comportamiento a través de parámetros que pueden representarse en un modelo biomecánico. Estos parámetros respaldan el desarrollo de soluciones de ingeniería actuales contra el temblor patológico, como dispositivos amortiguadores de vibraciones para mejorar el control del movimiento de las extremidades. En esta investigación, se realizó el desarrollo de un sistema de medición para cuantificar el comportamiento dinámico del HAS bajo condiciones de vibración. La concepción de un método de caracterización formó parte de la fase conceptual del desarrollo. A través de la revisión de la literatura, se identificó que la tensión muscular es una de las variables más significativas en la respuesta dinámica del HAS. La tensión muscular controla los grados de libertad (DoF) de los elementos de la extremidad. Además, se investigaron la postura y las condiciones de perturbación como variables influyentes. El sistema de medición se implementó a nivel de prototipo para validar el concepto desarrollado en una fase experimental, en la que se evaluaron las principales capacidades del sistema. Los datos experimentales de un sujeto de prueba mostraron que el sistema de medición puede cuantificar de manera efectiva la respuesta dinámica, la influencia de la tensión muscular (indi-rectamente a través de la medición de fuerza), la postura y la perturbación (vibración generada por un shaker). Los datos medidos (a través de IMUs) pueden utilizarse para la estimación de los parámetros dinámicos de un modelo biomecánico del HAS. En una siguiente fase, se requiere análisis adicional con más sujetos de prueba para cuantificar las tendencias de influencia de las variables e identificar rangos de comportamiento promedio.Two symptoms characterize the Parkinson disease: pathological tremor and spasticity in the limbs. Both symptoms influence the desired motion activities significantly, specially on the hand-arm-system (HAS). From a biomechanical point of view, the dynamic characteristics of the HAS can be represented by its impedance. An abnormal condition could be manifested in an impedance change out of the normal range. In this sense, the characterization of the dynamic behaviour of the HAS provides critical information not only for the determination of a state, but also to quantify the behaviour through parameters that can be represented in a biomechanical model. These parameters support the development of current engineered solutions against the pathological tremor as vibration absorber devices to improve the motion control of limbs. In this research, the development of a measurement setup was carried out to quantify the dynamic behaviour of the HAS under vibration conditions. The conception of a characterization method was part of the concept phase of the development. Identified through literature research, the muscle tension is one of the most significant variables in the dynamic response of the HAS. The muscle tension controls the degrees of freedom (DoF) of the limb elements. Furthermore, posture and perturbation conditions were also investigated as influential variables. The measurement setup was implemented in a prototype level to validate the concept developed through an experimental phase where main capabilities of the setup were tested. The experimental data from one test subject showed that the measurement setup can effectively quantify the dynamic response, the influence of the muscle tension (indirectly via force measurement), posture and perturbation (vibration initiation via shaker). The measured data (IMU data) can be used for the estimation of the dynamic parameters of a biomechanical model of the HAS. Further analysis with more test subjects are required to quantify tendencies of the variables influence and identify ranges of average behaviour.Zwei Symptome charakterisieren eine Parkinson-Erkrankung: ein pathologischer Tremor und eine Spastik in den Extremitäten. Beide Symptome haben einen starken Einfluss auf die gewünschten Bewegungsaktivitäten, besonders auf das Hand-Arm-System (HAS). Aus biomechanischer Perspektive können die dynamischen Eigenschaften des HAS durch seine Impedanz dargestellt werden. Anormale Zustände könnten sich in einer Impedanzänderung außerhalb des normalen Bereichs zeigen. In diesem Sinne ermöglicht die Charakterisierung des dynamischen Verhaltens des HAS nicht nur die Bestimmung eines Zustands, sondern auch die Quantifizierung des Verhaltens durch Parameter, die in einem biomechanischen Modell dargestellt werden können. Diese Parameter unterstützen die Entwicklung aktueller technischer Lösungen zur Verringerung des pathologischen Tremors in Form von Schwingungsdämpfern zur Verbesserung der Bewegungskontrolle der Gliedmaßen. In dieser Forschungsarbeit wurde ein Messaufbau entwickelt, um das dynamische Verhalten des HAS während Vibrationen zu quantifizieren. Die Konzeption einer Charakterisierungsmethode war Teil der Konzeptphase der Entwicklung. Aus der Literaturrecherche ergab sich als eine der wichtigsten Variablen für die dynamische Reaktion des HAS die Muskelspannung. Mittels muskulärer Anspannung werden die Freiheitsgrade (DoF) der Gliedmaßenelemente gesteuert. Des Weiteren werden die Körperhaltung und die Störungsbedingungen als beeinflussende Variablen untersucht. Der Messaufbau wurde als Prototyp implementiert, um das entwickelte Konzept durch eine experimentelle Phase zu validieren, in der die wichtigsten Eigenschaften des Aufbaus getestet wurden. Die Experimentaldaten eines Probanden zeigen, dass der Messaufbau die dynamische Reaktion, den Einfluss der Muskelspannung (indirekt über Kraftmessung), der Körperhaltung und der Störung (Schwingungseinleitung mittels Shaker) effektiv quantifizieren kann und die gemessenen Daten (IMU-Daten) für die Bestimmung der dynamischen Parameter eines biomechanischen Modells des HAS verwendet werden können. Weitere Analysen mit mehr Probanden sind erforderlich, um die Tendenzen des Einflusses der Variablen zu quantifizieren und die Bereiche des Normalen zu identifizieren.