以 AnyBody 模擬人體外骨骼機構






AnyBody Modeling System (AMS)

模擬肌肉骨骼系統

  • 支援多體運動學及動力學分析


AnyBody Managed Model Repository (AMMR)

  • AmyBody 人體資料庫

  • 內建多種已知的人體姿勢

  • 開放式人體生理模型


特殊應用

  • 人機協同模擬

  • 反作用力預測

  • 影像→患者特定位置的解剖結構



Musculoskeletal Simulation (肌肉骨骼模擬)




模擬的工作流程




大綱

一、外骨骼系統設計

二、案例

三、結論



一、外骨骼系統設計流程

1. 基礎: 工作狀況分析

2. 概念設計: 評估外骨骼機構的影響

3. 細部設計




工作狀況分析:工作流程的基本資訊對於概念設計而言是必須的

● 工作過程中哪一個時間點或哪一個姿勢比較費力或是容易受傷

● 身體的哪一個部分會承受高負荷

  • 影響身體運動的重點位置

  • 受傷風險

● 取得在沒有外骨骼系統協助下的分析結果,可用於後續的資料比對





基礎模型的動作評估




環境力的影響




基礎模型得到的結論

  • 取得身體運動過程中完整或是預測資訊 (包含關節運動、角度等)

  • 取得所有的關節受力,包含每一個極限點的資訊(例如評估脊柱何時會受傷)

  • 取得身體運動時的肌肉受力資料用以辨別強度上限

  • 取得單一肌肉或是整個肌肉系統的代謝資訊





二、製作原型前的準備工作

截至目前為止,還沒開始進行外骨骼設計,研究人員必須先

■ 在身體及關節位置增加力量或力矩

■ 評估這些影響可能會造成的傷害風險,以及其對操作的影響

  • 關節高負荷

  • 肌肉高負荷

■ 確認機構必須如何組合,才能讓力量與力矩有最佳表現

■ 確認可能的負面影響




案例: 代謝能力 Metabolic power



Case1: 找出 Kₐₙₖₗₑ




Case2: 找出 Kₖₙₑₑ




Case3: 找出Kₕᵢₚ




三、細部設計

將設計完成的機構放入 AnyBody 進行模擬,採用 Solidworks2AnyBody 模組




細部設計分析目標


運動學:

  • 外骨骼與人體之間的相容性

  • 外骨骼的運動與人體之間可能發生的碰撞

  • 制動器的活動範圍


動力學:

  • 外骨骼與人體之間的接觸力

  • 致動器的力量消耗與功率峰值

  • 致動器的力量/力矩峰值

  • 新陳代謝功率以及能源損耗




運動相容性

  • 外骨骼與人體身體是運動拘束的平行系統

  • 外骨骼與人體可能會連動,也可能不會

  • 相容性複雜的原因是因為人體運動學非常複雜

  • 不相容可能導致外骨骼發生不預期的鎖定、摩擦,或是無意義的聯合負載




接觸力與皮帶

  • 任何形式的輔助力或力矩都可能會造成人體上有額外的接觸力

  • 其運動模式非常複雜,因為這些運動取決於人體+外骨骼的整合運動

  • 生物力學模擬是在尚未製作測試原型前,唯一可以進行事前評估的方法

  • AnyBody 可以解決這樣的問題




接觸模型

  • AnyBody 可以支援皮帶、壓力墊等的模型

  • 這些物件可以確保當力量改變時四肢的接觸位置可能會隨之改變

  • 接觸元件可以包含 Coulomb friction 的計算




三、結論

  • 人體外骨骼模型之相對運動非常複雜

  • 外骨骼可以提高安全性以及提升工作表現

  • 外骨骼可能造成身體不適、疼痛,或是受傷

  • 肌肉骨骼模擬可以在外骨骼設計的不同階段中進行協助