公開了用于數(shù)字模擬沿骨骼和圍繞關(guān)節(jié)的肌肉運動的方法和系統(tǒng)。采用包括多個桁架單元和一個或多個滾輪的計算機(jī)化模型。這些桁架單元配置成建模肌帶而每個滾輪配置成建模關(guān)節(jié)。每個桁架單元包括兩個端節(jié)點且配置成或關(guān)聯(lián)肌肉生物機(jī)械性能模型。每個滾輪在對應(yīng)的關(guān)節(jié)位置固定。為了模擬肌帶圍繞關(guān)節(jié)的運動，以時間推進(jìn)模擬的方式動態(tài)調(diào)節(jié)跨接在滾輪上的每對桁架單元（例如，汽車和一個或多個乘客的撞擊事件的計算機(jī)模擬）。在時間推進(jìn)模擬的每個求解周期執(zhí)行該調(diào)節(jié)。有兩種類型的調(diào)節(jié)，即“滑動”和“交換”。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)總的涉及在計算機(jī)輔助工程分析領(lǐng)域使用的方法、系統(tǒng)和軟件產(chǎn)品，更具體地說，涉及數(shù)字模擬關(guān)節(jié)周圍的肌帶運動。
技術(shù)介紹
現(xiàn)已采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模擬連續(xù)物質(zhì)，如固體和流體(也就是，液體和氣體)。可采用微分方程求解連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中的問題。現(xiàn)已采用很多計算方案。最常用的方法是有限元分析(FEA)，它是一種計算方法，被廣泛用于對與諸如三維非線性結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析等復(fù)雜系統(tǒng)相關(guān)的工程問題進(jìn)行建模和求解。有限元分析的名稱源于對所關(guān)注的目標(biāo)物體的幾何特征進(jìn)行描述的方式。隨著現(xiàn)代數(shù)字計算機(jī)的出現(xiàn)，有限元分析已作為有限元分析軟件實現(xiàn)。基本上，有限元分析軟件提供幾何描述的模型、以及該模型中每一點處的相關(guān)材料性能。在此模型中，所分析的系統(tǒng)的幾何特征被表示為各種大小的實體、殼體和梁，這些被稱為有限元。各有限元的頂點被稱為節(jié)點。該模型是由有限數(shù)目的有限元組成的，這些有限元都被分配有材料名稱以便于與材料性能相關(guān)聯(lián)。因此，該模型表示了被分析的目標(biāo)物體所占的物理空間以及它的周圍環(huán)境。有限元分析軟件隨后涉及列出了每種材料性能(例如，應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)方程、楊氏模量、泊松比和熱傳導(dǎo)率)的表格。此外，指定了目標(biāo)物體的邊界條件(即負(fù)荷、物理約束等)。遵循此種方式，建立了目標(biāo)物體及其環(huán)境的模型。一個最具有挑戰(zhàn)性的FEA任務(wù)是模擬撞擊事件，如車禍。隨著現(xiàn)代計算機(jī)的發(fā)展，不光對車禍中的車輛行為進(jìn)行模擬，還對乘客的運動和反應(yīng)進(jìn)行模擬。為了精確模擬乘客(也就是，人類)，需要在CAE (例如，有限元分析)中為根據(jù)人體(例如肌肉)的生物機(jī)械性能的運動進(jìn)行建模。迄今為止，還沒有能令人滿意的解決方案。傳統(tǒng)的有限元法中，例如在整個模擬過程中祐1架單元(truss element)保持其原始長度不變,將導(dǎo)致在一些現(xiàn)有技術(shù)方法產(chǎn)生不平滑或者是急速的運動。因此，較為理想的是，提供一種數(shù)字模擬沿骨骼和圍繞關(guān)節(jié)的肌肉運動的方法和系統(tǒng)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)涉及數(shù)字模擬沿骨骼和圍繞關(guān)節(jié)的肌肉運動的方法和系統(tǒng)。根據(jù)本專利技術(shù)的示例實施例，采用包括沿一個或多個滾輪(roller)的多個祐1架單元的計算機(jī)化模型。這些桁架單元配置成建模肌帶而每個滾輪配置成建模關(guān)節(jié)。每個桁架單元包括兩個端節(jié)點且配置成或關(guān)聯(lián)肌肉生物機(jī)械性能模型(例如，非線性Hill型。每個滾輪在對應(yīng)的關(guān)節(jié)位置固定。為了模擬肌帶圍繞關(guān)節(jié)的運動，以時間推進(jìn)模擬的方式動態(tài)調(diào)節(jié)跨接在滾輪上的每對桁架單元(例如，汽車和一個或多個乘客的撞擊事件的計算機(jī)模擬)。在時間推進(jìn)模擬的每個求解周期執(zhí)行該調(diào)節(jié)。有兩種類型的調(diào)節(jié)，即“滑動”(slipping)和“交換”(swapping)。術(shù)語“滑動”稱作桁架單元對的局部重定義(local redefining)。滑動可通過推動生物機(jī)械性能(例如以桁架單元的非伸展長度的形式)從桁架單元對的一個單元向另一個單元傳遞實現(xiàn)。換句話說，重新定義桁架單元對的各個桁架單元的非伸展長度以使得該桁架單元對的總非伸展長度保持不變。術(shù)語“交換”稱作多個祐1架單元的局部網(wǎng)格重構(gòu)(local remeshing)。交換可通過推動桁架單元對的一個單元到滾輪的另一側(cè)實現(xiàn)。換句話說，通過在滾輪一側(cè)去掉一個單元和在滾輪的另一側(cè)增加一個單元網(wǎng)格重構(gòu)用于建模肌帶的桁架單元。因此，在交換調(diào)整以后，一對不同的衍架單元跨騎在滾輪上。參照下列對本專利技術(shù)的實施例的詳細(xì)描述、并結(jié)合附圖，本專利技術(shù)的目的、特征和優(yōu)點將會變得明顯。附圖說明附圖中:圖1是根據(jù)本專利技術(shù)的一個實施例的、數(shù)字模擬沿骨骼和圍繞關(guān)節(jié)的肌肉運動的典型方法的流程圖；圖2是根據(jù)本專利技術(shù)的實施例的、肌帶和關(guān)節(jié)的典型計算機(jī)化模型的示意圖；圖3是根據(jù)本專利技術(shù)的一個實施例的、示范性的肌肉生物機(jī)械性能模型的示意圖；圖4是根據(jù)本專利技術(shù)的實施例的、與肌肉生物機(jī)械性能模型相關(guān)的、示例的壓力vs桁架單元的歸一化長度的示意圖；圖5是根據(jù)本專利技術(shù)的一個實施例的、用于調(diào)節(jié)計算機(jī)化模型的、圍繞滾輪的兩個軸向力/壓力的關(guān)系示意圖；圖6A-6C是根據(jù)本專利技術(shù)的一個實施例的、示例的“滑動”和“交換”調(diào)節(jié)的示意圖；圖7是示例的計算機(jī)系統(tǒng)的主要部件的功能框圖，其中可執(zhí)行本專利技術(shù)的一個實施例。具體實施例方式參照圖1，示出了根據(jù)本專利技術(shù)的實施例的、數(shù)字模擬沿骨骼和圍繞關(guān)節(jié)的肌肉運動的示范過程100的流程圖。該過程100優(yōu)選在軟件中實現(xiàn)并參照其他附圖進(jìn)行理解。過程100始于在步驟102定義數(shù)字模擬肌肉運動的計算機(jī)化模型(例如，有限元分析(FEA)模型)。圖2示出了人的手臂的肌帶和關(guān)節(jié)的示范計算機(jī)化模型210。該計算機(jī)化模型210包括，下面要具體說的，表示肌帶的多個桁架單元212和表示關(guān)節(jié)的至少一個滾輪。在計算機(jī)系統(tǒng)中(例如圖7中所示的計算機(jī)系統(tǒng)700)接收該計算機(jī)化模型210。每個桁架單元212具有定義單元長度的兩個端節(jié)點。在三維空間中，每個節(jié)點具有3個平移自由度。每個桁架單元與肌肉生物機(jī)械性能模型相關(guān)，例如圖3中示出的非線性Hill型肌肉生物機(jī)械性能模型300。該非線性Hill型肌肉模型300采用平行設(shè)置的可收縮單元(CE)301、阻尼單元(DE) 302和被動單元(PE) 303效仿肌肉生物機(jī)械性能。配置有該生物機(jī)械性能模型的桁架單元根據(jù)其橫截面?zhèn)鬟f軸向力(也就是，牽引力或張力)以響應(yīng)在數(shù)字模擬中的條件。在兩端示出桁架單元212的張應(yīng)力σ 304。采用眾所周知的方法計算張應(yīng)力σ 304，如張力除以桁架單元的橫截面。可收縮單元301表示肌肉的力生成，且其包括最大應(yīng)力σ _，時間依賴性激活水平函數(shù)a (t)，應(yīng)變依賴縮放函數(shù)f ( ε )和應(yīng)變率依賴縮放函數(shù)§( ): Cf * 40 ‘/O〕H被動單元303表示來自肌肉彈性的能量存儲，其包括最大應(yīng)力σ_和應(yīng)力依賴非線性彈性函數(shù) h ( ε ): ( = ’h(e)0阻尼單元302表示肌肉粘性且其取決于應(yīng)變、應(yīng)變率和阻尼常數(shù)=合成軸向應(yīng)力(也就是，張應(yīng)力)304是所有這些分量之和Ar = %￡ ‘ σΡΕ + σ3Β。圖4示出了描繪示范非線性Hill型生物機(jī)械性能模型的圖表400。圖表400為具有軸向應(yīng)力的垂直軸和桁架單元的歸一化長度的水平軸的X-Y坐標(biāo)圖。示出了 4段曲線402和402a_c。曲線402表示總軸向應(yīng)力σ而曲線402a表示σ CE，曲線402b表示σ PE且曲線402c表示oDE。桁架單元的歸一化長度是當(dāng)前長度⑴與非伸展長度(I。)之比的無量綱量。非伸展長度是桁架單元在時間推進(jìn)模擬開始時(也就是，時間=0)的長度，而當(dāng)前長度是在特定求解周期時(也就是，時間=t)的長度。換句話說，歸一化長度在模擬開始時等于I。應(yīng)注意，應(yīng)變ε的計算如下(1-10 )/ I。或(I / I。)-1。每個滾輪214的一個節(jié)點固定在關(guān)節(jié)的位置。該節(jié)點(圖2中示出為空心圓環(huán))由橫跨該滾輪的桁架單元對共享。滾輪500 (例如滾輪214)配置成具有圖5中示出的包角502。包角502由橫跨滾輪500的桁架單元對504a_b各自的定向確定。換句話說，包角502是祐1架單元對的軸向方向 形成的包容角(inclusive angle)。張力T1 514a和T2 514b是桁架單元504a_b的對應(yīng)軸向力。用來數(shù)字模擬肌肉運動的滾輪500滿足被稱為CAPSTAN等式的等式:T2 = T1 eM在此，T2 514b本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
一種數(shù)字模擬沿骨骼和圍繞關(guān)節(jié)的肌肉運動的方法，其特征在于，包括：在其上安裝有被配置成執(zhí)行時間推進(jìn)肌肉運動模擬的應(yīng)用模塊的計算機(jī)系統(tǒng)中，接收包含多個桁架單元和至少一個滾輪的計算機(jī)化模型，所述多個桁架單元配置成表示肌帶而每個滾輪配置成表示關(guān)節(jié)，且所述多個桁架單元關(guān)聯(lián)肌肉生物機(jī)械性能模型；所述計算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用模塊采用所述計算機(jī)化模型控制所述時間推進(jìn)模擬，所述時間推進(jìn)模擬包括表示時間經(jīng)過的一系列連續(xù)求解周期；在每個求解周期計算所述多個桁架單元的軸向應(yīng)力和應(yīng)變；以及對橫跨每個滾輪的每個桁架單元對實施滑動和交換調(diào)節(jié)，以獲得所述肌帶沿著骨骼和圍繞關(guān)節(jié)的數(shù)字模擬運動。
【技術(shù)特征摘要】
2011.10.25 US 13/280,5061.一種數(shù)字模擬沿骨骼和圍繞關(guān)節(jié)的肌肉運動的方法，其特征在于，包括: 在其上安裝有被配置成執(zhí)行時間推進(jìn)肌肉運動模擬的應(yīng)用模塊的計算機(jī)系統(tǒng)中，接收包含多個桁架單元和至少一個滾輪的計算機(jī)化模型，所述多個桁架單元配置成表示肌帶而每個滾輪配置成表示關(guān)節(jié)，且所述多個桁架單元關(guān)聯(lián)肌肉生物機(jī)械性能模型； 所述計算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用模塊采用所述計算機(jī)化模型控制所述時間推進(jìn)模擬，所述時間推進(jìn)模擬包括表示時間經(jīng)過的一系列連續(xù)求解周期； 在每個求解周期計算所述多個桁架單元的軸向應(yīng)力和應(yīng)變；以及對橫跨每個滾輪的每個桁架單元對實施滑動和交換調(diào)節(jié)，以獲得所述肌帶沿著骨骼和圍繞關(guān)節(jié)的數(shù)字模擬運動。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述滑動調(diào)節(jié)重新定義所述每個桁架單元對的各個非伸展長度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述交換調(diào)節(jié)在所述每個桁架單元對的一個桁架單元由于所述滑動調(diào)節(jié)變得短于閾值時發(fā)生。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述交換調(diào)節(jié)將所述每個桁架單元對的所述一個桁架單元從所述每個滾輪的第一側(cè)移動到第二側(cè)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在所述交換調(diào)節(jié)之后，所述每個桁架單元對的所述一個桁架單元配置成具有大于閾值的長度。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在每個滾輪處利用CAPSTAN等式迭代確定各個非伸展長度。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述CAPSTAN等式是所述每個桁架單元對的各個軸向應(yīng)力和應(yīng)變與所述每個滾輪的包角的函數(shù)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述每個滾輪的包角是由所述每個桁架單元...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：托比亞斯·埃爾哈特，
申請(專利權(quán))人：利弗莫爾軟件技術(shù)公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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