運用模擬做為以人體為基礎的外骨骼設計工具



大綱

一、痛點 (Pain points) 與人類外骨骼 (Human-Exo)模擬

二、介紹 AnyBody 模擬

三、案例研究



一、痛點 (Pain points) 與人類外骨骼 (Human-Exo)模擬

設計週期



主要問題在於

1. 如何減少研發時間與開發成本

2. 能夠對使用者提供優點及安全性



人體外骨骼模擬

輸出資料以 AnyBody Modeling System 的數值模擬輸出取代




如何以數值模擬的輸出結果來解決痛點?





二、AnyBody Modeling System 模擬


人體外骨骼模擬 – 運動學




步驟一:將外骨骼與人體進行組立

  • 在接觸點建立拘束點 (Constraints)

  • 將外骨骼系統關節與人體進行組合




步驟二:描述運動

  • 利用動作捕捉設備取得運動軌跡,建立 *.c3d or BVH檔案,將檔案載入 AnyBody Modeling Syste

  • 合成運動



人體外骨骼模擬 – 逆動力學





逆動力學:動作(運動學資料)→ 受力

計算所有受力

  • 人體:肌肉、關節

  • 外骨骼:馬達、制動器

  • 人體-外骨骼介面:皮帶


人體外骨骼系統中的贅力 (redundant force)

  • 肌肉贅力

  • 人體外骨骼作用力


如何預測特定的力量???







三、案例研究


客戶案例

1. 被動式重力補償手臂外骨骼

2. Soft Active 腰部外骨骼


內部案例

1. 被動式腰部輔助裝置

2. 節省代謝能量




案例1. 手臂外骨骼




問題:外骨骼的理想彈簧常數 (spring stiffness)為多少?




最佳化的彈簧會不會減少肌肉力量?

→ 從 AnyBody Modeling System 輸出的肌肉力量數值進行確認




人體與人體外骨骼之間如何運動?

→ 從 AnyBody Modeling System 輸出的運動學結果進行確認




最大的舉升力量為多少?

→ 從 AnyBody Modeling System 輸出的肌肉力量進行確認





外骨骼系統容易使用嗎?

→ 從 AnyBody Modeling System 輸出的人體外骨骼輸出力量進行確認





案例2. 軟質腰部外骨骼






問題:外骨骼系統對於使用者是否安全?





新設計能否減少脊柱的壓縮力量?

→ 從 AnyBody Modeling System 的人體關節受力輸出可進行確認




新設計能夠減少肌肉力量嗎?

→ 可以從 AnyBody Modeling System 的人體肌肉力量輸出值進行確認




案例3. 腰部輔助外骨骼




問題:彈簧常數 (spring stiffness)需要取多少,才能讓人體代謝最小化?






外骨骼能夠減少人體代謝嗎? 減少多少?

→ 可以從 AnyBody Modeling System 的人體代謝數值輸出進行確認





外骨骼系統設計者的兩個痛點都可以利用肌肉骨骼模擬解決




致謝