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