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J. Reuther:
"Application of Circuit Theory on Modeling of Lower Leg Muscles";
Supervisor: M. Gföhler; Konstruktionswissenschaften und Technische Logistik, 2014; final examination: 2014-02-28.

The aim of this work is to show that a mechanical Hill type muscle model of the human ankle can
be represented and simulated with an electrical network equivalent by using the electromechanical
analogies. The electrical circuit is built up with electrical elements (resistors, condensators, inductivities,
current sources) according to the force-current analogy in mechanics (dampers, masses,
springs, forces). The model includes the following muscles inducing a moment in the ankle joint:
M. soleus, M. med. gastrocnemius, M. lat. gastrocnemius and M. tibialis anterior. Two control
mechanisms are used to show up negative effects by not taking tendon properties into account.
All electrical simulations were done with the software LTspice IV (1630 McCarthy Blvd., Milpitas,
CA) in Windows Vista. Furthermore all simulations were carried out with OpenSim (3DGaitModel
2392) to compare the results with those of the electrical simulations.
The model follows the rules of ZAJAC [1989] and is able to accomplish forward dynamic tasks.
With a given EMG stimulation signal as an input the model allows detailed examination of ankle
angle, moment generation, muscle forces, tendon forces, fiber lengths, tendon lengths and fiber
contraction velocities. Comparing the results with 3DGaitModel 2392 of OpenSim shows slight
differences that can be referred to a variance in the force-length characteristics and a different
moment of inertia. By changing muscle and inertial parameters the model can be used to simulate
every type of joint, also non humans.

Mit dieser Arbeit wird gezeigt, dass es möglich ist ein mechanisches Hill´sches Muskelmodell mit
Hilfe des elektro-mechanischen Dualismuses in ein elektrisches Modell überzuführen. Dabei werden
mechanische Elemente (Dämpfer, Massen, Federn, Kräfte) gemäß der Kraft-Strom Analogie
durch elektrische Elemente (Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Stromquellen) ersetzt.
Es wurde ein Modell des menschlichen Sprunggelenks mit vier Muskeln (M. soleus, M. med. gastrocnemius,
M. lat. Gastrocnemius, M. tibialis anterior) erzeugt. Zwei Steuerungsmechanismen
zeigen wie sich die Nichtberücksichtigung der Sehneneigenschaften negativ auf die Ergebnisse auswirken.
Die Simulationen wurden mit der Software LTspice IV (1630 McCarthy Blvd., Milpitas,
CA) unter Windows Vista durchgeführt. Zur Überprüfung der Ergebnisse wurden die Simulationen
mit OpenSim (3DGaitModel 2392) ebenfalls durchgeführt.
Das erzeugte elektrische Modell befolgt die Regeln von ZAJAC[1989] und ist somit in der Lage
vorwärts-dynamische Analysen auszuführen. Mit einem EMG Signal können Gelenkswinkel,
Momente, Muskelkräfte, Sehnenkräfte, Muskellängen, Sehnenlängen und Muskelkontraktionsgeschwindigkeiten
ermittelt werden. Vergleiche mit den Ergebnissen von OpenSim zeigen geringe
Abweichungen, die auf andere Kraft-Längen Eigenschaften sowie auf Unterschiede bei der Berechnung
der Trägheitsmomente zurück zu führen sind. Das Modell kann durch verändern der Muskelund
Massenträgheitsparameter für jedes, auch nicht menschliche, Gelenk verwendet werden.

Muscle / Modeling / Network / Biomechanics

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_235835.pdf