Vývoj virtuálního modelu člověka jako multibody systému

Abstract

Tato práce se zabývá virtuálními modely lidského těla, používané pro kolizní dynamické scénáře. V úvodu této práce je uveden krátký přehled aktuálních modelů u lidského těla. Hlavním cílem této práce je využití multibody metody pro popis prostorového pohybu systému vázaných tuhých těles. Jsou zde využity koncepty Eulerových úhlů a Eulerových parametrů a diskutovány jejich výhody a nevýhody. Celková pohybová rovnice modelu je dále rozšířena o algoritmy pro numerickou stabilizaci, výpočet kontaktu a výpočet vnitřní tuhosti kloubů. Pro kompletní popis lidského těla je využito Eulerových parametrů a takto vytvořený model se skládá ze 17 tuhých těles, vzájemně vázaných kinematickým kloubem. Všechna tělesa mají tvar elipsoidu a všechny klouby jsou modelovány jako sférické klouby. Rozměry, hmotnosti a setrvačnost každého tělesa jsou definovány z literatury a z reálných naměřených dat. Tento model je vytvořen jako škálovatelný, kde vstupy jsou pouze celková výška a hmotnost a konkrétní model (jeho hmotnost, rozměry a setrvačnost) je vytvořen vyškálováním referenčního modelu. Pro modelování fyziologického rozsahu pohybu jednotlivých kloubů, a také pro modelování jejich vnitřní tuhosti, jsou do modelu přidány zátěžné momenty. Tyto momenty jsou funkcí relativního natočení mezi jednotlivými tělesy a posléze jsou přidány jako vnější zatížení do pohybové rovnice. Relativní natočení mezi tělesy je zde vyřešeno díky vlastnostem Eulerových parametrů (kvatermionů), ze kterých lze přímo získat aktuální osu rotace a úhel natočení okolo této osy. Kontaktní algoritmus je řešen pomocí modelu spojité kontaktní síly, s několika modely kontaktní síly. Pohybová rovnice celého mechanického systému je numericky integrována pomocí systému MATLAB a jeho standardními funkcemi ODE. Pro zajištění numerické stability, která pro úlohy vázané dynamiky není obecně zaručena, je využito dvou metod numerické stabilizace (Baumgartova stabilizace a metoda přímého porušení). Tato práce prezentuje výsledky dílčích metod a algoritmů na jednoduchých elementárních úlohách. Vzhledem k nedostatku experimentálních dat jsou některé úlohy ověřovány pouze pomocí metody přímého vizuálního pozorování. Kompletní model lidského těla je použit v sérii několika kontaktních úloh, kde bylo testováno jeho chování. Tento model, speciálně jeho parametry (kontaktní parametry, tuhosti a numerické parametry), nejsou nastaveny tak, aby simulovaly konkrétní scénář. Byly nastaveny tak, aby výsledný model fungoval, aby dával korektní data a byl numericky stabilní. Tento status lze nazvat model připravený pro validaci. Pokud by bylo vyžadováno využití tohoto modelu v nějakém konkrétním příkladu, bylo by nutné provedení kompletní validace a optimalizace všech parametrů pro správné nastavení modelu. Účelem této práce je vytvoření obecného algoritmu pro řešení úloh vázaných tuhých těles s uvažováním dalších algoritmů pro potřeby modelování lidského těla, získání znalostí jak tyto algoritmy fungují, jak mohou být programově řešeny a jaké jsou jejich výhody a nevýhody. I přes určité limity výsledného modelu lze říci, že účelu této práce bylo dosaženo.