数字模拟沿骨骼和围绕关节的肌肉运动的方法和系统技术方案

公开了用于数字模拟沿骨骼和围绕关节的肌肉运动的方法和系统。采用包括多个桁架单元和一个或多个滚轮的计算机化模型。这些桁架单元配置成建模肌带而每个滚轮配置成建模关节。每个桁架单元包括两个端节点且配置成或关联肌肉生物机械性能模型。每个滚轮在对应的关节位置固定。为了模拟肌带围绕关节的运动，以时间推进模拟的方式动态调节跨接在滚轮上的每对桁架单元（例如，汽车和一个或多个乘客的撞击事件的计算机模拟）。在时间推进模拟的每个求解周期执行该调节。有两种类型的调节，即“滑动”和“交换”。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的涉及在计算机辅助工程分析领域使用的方法、系统和软件产品，更具体地说，涉及数字模拟关节周围的肌带运动。
技术介绍
现已采用连续介质力学模拟连续物质，如固体和流体(也就是，液体和气体)。可采用微分方程求解连续介质力学中的问题。现已采用很多计算方案。最常用的方法是有限元分析(FEA)，它是一种计算方法，被广泛用于对与诸如三维非线性结构设计和分析等复杂系统相关的工程问题进行建模和求解。有限元分析的名称源于对所关注的目标物体的几何特征进行描述的方式。随着现代数字计算机的出现，有限元分析已作为有限元分析软件实现。基本上，有限元分析软件提供几何描述的模型、以及该模型中每一点处的相关材料性能。在此模型中，所分析的系统的几何特征被表示为各种大小的实体、壳体和梁，这些被称为有限元。各有限元的顶点被称为节点。该模型是由有限数目的有限元组成的，这些有限元都被分配有材料名称以便于与材料性能相关联。因此，该模型表示了被分析的目标物体所占的物理空间以及它的周围环境。有限元分析软件随后涉及列出了每种材料性能(例如，应力-应变本构方程、杨氏模量、泊松比和热传导率)的表格。此外，指定了目标物体的边界条件(即负荷、物理约束等)。遵循此种方式，建立了目标物体及其环境的模型。一个最具有挑战性的FEA任务是模拟撞击事件，如车祸。随着现代计算机的发展，不光对车祸中的车辆行为进行模拟，还对乘客的运动和反应进行模拟。为了精确模拟乘客(也就是，人类)，需要在CAE (例如，有限元分析)中为根据人体(例如肌肉)的生物机械性能的运动进行建模。迄今为止，还没有能令人满意的解决方案。传统的有限元法中，例如在整个模拟过程中祐1架单元(truss element)保持其原始长度不变,将导致在一些现有技术方法产生不平滑或者是急速的运动。因此，较为理想的是，提供一种数字模拟沿骨骼和围绕关节的肌肉运动的方法和系统。
技术实现思路
本专利技术涉及数字模拟沿骨骼和围绕关节的肌肉运动的方法和系统。根据本专利技术的示例实施例，采用包括沿一个或多个滚轮(roller)的多个祐1架单元的计算机化模型。这些桁架单元配置成建模肌带而每个滚轮配置成建模关节。每个桁架单元包括两个端节点且配置成或关联肌肉生物机械性能模型(例如，非线性Hill型。每个滚轮在对应的关节位置固定。为了模拟肌带围绕关节的运动，以时间推进模拟的方式动态调节跨接在滚轮上的每对桁架单元(例如，汽车和一个或多个乘客的撞击事件的计算机模拟)。在时间推进模拟的每个求解周期执行该调节。有两种类型的调节，即“滑动”(slipping)和“交换”(swapping)。术语“滑动”称作桁架单元对的局部重定义(local redefining)。滑动可通过推动生物机械性能(例如以桁架单元的非伸展长度的形式)从桁架单元对的一个单元向另一个单元传递实现。换句话说，重新定义桁架单元对的各个桁架单元的非伸展长度以使得该桁架单元对的总非伸展长度保持不变。术语“交换”称作多个祐1架单元的局部网格重构(local remeshing)。交换可通过推动桁架单元对的一个单元到滚轮的另一侧实现。换句话说，通过在滚轮一侧去掉一个单元和在滚轮的另一侧增加一个单元网格重构用于建模肌带的桁架单元。因此，在交换调整以后，一对不同的衍架单元跨骑在滚轮上。参照下列对本专利技术的实施例的详细描述、并结合附图，本专利技术的目的、特征和优点将会变得明显。附图说明附图中:图1是根据本专利技术的一个实施例的、数字模拟沿骨骼和围绕关节的肌肉运动的典型方法的流程图；图2是根据本专利技术的实施例的、肌带和关节的典型计算机化模型的示意图；图3是根据本专利技术的一个实施例的、示范性的肌肉生物机械性能模型的示意图；图4是根据本专利技术的实施例的、与肌肉生物机械性能模型相关的、示例的压力vs桁架单元的归一化长度的示意图；图5是根据本专利技术的一个实施例的、用于调节计算机化模型的、围绕滚轮的两个轴向力/压力的关系示意图；图6A-6C是根据本专利技术的一个实施例的、示例的“滑动”和“交换”调节的示意图；图7是示例的计算机系统的主要部件的功能框图，其中可执行本专利技术的一个实施例。具体实施例方式参照图1，示出了根据本专利技术的实施例的、数字模拟沿骨骼和围绕关节的肌肉运动的示范过程100的流程图。该过程100优选在软件中实现并参照其他附图进行理解。过程100始于在步骤102定义数字模拟肌肉运动的计算机化模型(例如，有限元分析(FEA)模型)。图2示出了人的手臂的肌带和关节的示范计算机化模型210。该计算机化模型210包括，下面要具体说的，表示肌带的多个桁架单元212和表示关节的至少一个滚轮。在计算机系统中(例如图7中所示的计算机系统700)接收该计算机化模型210。每个桁架单元212具有定义单元长度的两个端节点。在三维空间中，每个节点具有3个平移自由度。每个桁架单元与肌肉生物机械性能模型相关，例如图3中示出的非线性Hill型肌肉生物机械性能模型300。该非线性Hill型肌肉模型300采用平行设置的可收缩单元(CE)301、阻尼单元(DE) 302和被动单元(PE) 303效仿肌肉生物机械性能。配置有该生物机械性能模型的桁架单元根据其横截面传递轴向力(也就是，牵引力或张力)以响应在数字模拟中的条件。在两端示出桁架单元212的张应力σ 304。采用众所周知的方法计算张应力σ 304，如张力除以桁架单元的横截面。可收缩单元301表示肌肉的力生成，且其包括最大应力σ _，时间依赖性激活水平函数a (t)，应变依赖缩放函数f ( ε )和应变率依赖缩放函数§( ): Cf * 40 ‘/O〕H被动单元303表示来自肌肉弹性的能量存储，其包括最大应力σ_和应力依赖非线性弹性函数 h ( ε ): ( = ’h(e)0阻尼单元302表示肌肉粘性且其取决于应变、应变率和阻尼常数=合成轴向应力(也就是，张应力)304是所有这些分量之和Ar = %￡ ‘ σΡΕ + σ3Β。图4示出了描绘示范非线性Hill型生物机械性能模型的图表400。图表400为具有轴向应力的垂直轴和桁架单元的归一化长度的水平轴的X-Y坐标图。示出了 4段曲线402和402a_c。曲线402表示总轴向应力σ而曲线402a表示σ CE，曲线402b表示σ PE且曲线402c表示oDE。桁架单元的归一化长度是当前长度⑴与非伸展长度(I。)之比的无量纲量。非伸展长度是桁架单元在时间推进模拟开始时(也就是，时间=0)的长度，而当前长度是在特定求解周期时(也就是，时间=t)的长度。换句话说，归一化长度在模拟开始时等于I。应注意，应变ε的计算如下(1-10 )/ I。或(I / I。)-1。每个滚轮214的一个节点固定在关节的位置。该节点(图2中示出为空心圆环)由横跨该滚轮的桁架单元对共享。滚轮500 (例如滚轮214)配置成具有图5中示出的包角502。包角502由横跨滚轮500的桁架单元对504a_b各自的定向确定。换句话说，包角502是祐1架单元对的轴向方向 形成的包容角(inclusive angle)。张力T1 514a和T2 514b是桁架单元504a_b的对应轴向力。用来数字模拟肌肉运动的滚轮500满足被称为CAPSTAN等式的等式:T2 = T1 eM在此，T2 514b本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字模拟沿骨骼和围绕关节的肌肉运动的方法，其特征在于，包括：在其上安装有被配置成执行时间推进肌肉运动模拟的应用模块的计算机系统中，接收包含多个桁架单元和至少一个滚轮的计算机化模型，所述多个桁架单元配置成表示肌带而每个滚轮配置成表示关节，且所述多个桁架单元关联肌肉生物机械性能模型；所述计算机系统中的应用模块采用所述计算机化模型控制所述时间推进模拟，所述时间推进模拟包括表示时间经过的一系列连续求解周期；在每个求解周期计算所述多个桁架单元的轴向应力和应变；以及对横跨每个滚轮的每个桁架单元对实施滑动和交换调节，以获得所述肌带沿着骨骼和围绕关节的数字模拟运动。

【技术特征摘要】
2011.10.25 US 13/280,5061.一种数字模拟沿骨骼和围绕关节的肌肉运动的方法，其特征在于，包括: 在其上安装有被配置成执行时间推进肌肉运动模拟的应用模块的计算机系统中，接收包含多个桁架单元和至少一个滚轮的计算机化模型，所述多个桁架单元配置成表示肌带而每个滚轮配置成表示关节，且所述多个桁架单元关联肌肉生物机械性能模型； 所述计算机系统中的应用模块采用所述计算机化模型控制所述时间推进模拟，所述时间推进模拟包括表示时间经过的一系列连续求解周期； 在每个求解周期计算所述多个桁架单元的轴向应力和应变；以及对横跨每个滚轮的每个桁架单元对实施滑动和交换调节，以获得所述肌带沿着骨骼和围绕关节的数字模拟运动。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滑动调节重新定义所述每个桁架单元对的各个非伸展长度。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述交换调节在所述每个桁架单元对的一个桁架单元由于所述滑动调节变得短于阈值时发生。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述交换调节将所述每个桁架单元对的所述一个桁架单元从所述每个滚轮的第一侧移动到第二侧。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述交换调节之后，所述每个桁架单元对的所述一个桁架单元配置成具有大于阈值的长度。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在每个滚轮处利用CAPSTAN等式迭代确定各个非伸展长度。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述CAPSTAN等式是所述每个桁架单元对的各个轴向应力和应变与所述每个滚轮的包角的函数。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述每个滚轮的包角是由所述每个桁架单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：托比亚斯·埃尔哈特，
申请(专利权)人：利弗莫尔软件技术公司，
类型：发明
国别省市：