[發(fā)明專利]數(shù)字模擬沿骨骼和圍繞關節(jié)的肌肉運動的方法和系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210286459.3
• 申請日: 2012-08-13
• 公開（公告）號: CN103077260A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發(fā)明（設計）人: 托比亞斯·埃爾哈特
• 申請（專利權(quán)）人: 利弗莫爾軟件技術公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 深圳新創(chuàng)友知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44223
• 代理人: 江耀純

技術領域

本發(fā)明總的涉及在計算機輔助工程分析領域使用的方法、系統(tǒng)和軟件產(chǎn)品，更具體地說，涉及數(shù)字模擬關節(jié)周圍的肌帶運動。

背景技術

現(xiàn)已采用連續(xù)介質(zhì)力學模擬連續(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)設計和分析等復雜系統(tǒng)相關的工程問題進行建模和求解。有限元分析的名稱源于對所關注的目標物體的幾何特征進行描述的方式。隨著現(xiàn)代數(shù)字計算機的出現(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聯(lián)。因此，該模型表示了被分析的目標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，應力-應變本構(gòu)方程、楊氏模量、泊松比和熱傳導率）的表格。此外，指定了目標物體的邊界條件（即負荷、物理約束等）。遵循此種方式，建立了目標物體及其環(huán)境的模型。

一個最具有挑戰(zhàn)性的FEA任務是模擬撞擊事件，如車禍。隨著現(xiàn)代計算機的發(fā)展，不光對車禍中的車輛行為進行模擬，還對乘客的運動和反應進行模擬。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）的生物機械性能的運動進行建模。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桁架單元（truss?element）保持其原始長度不變，將導致在一些現(xiàn)有技術方法產(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節(jié)的肌肉運動的方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明涉及數(shù)字模擬沿骨骼和圍繞關節(jié)的肌肉運動的方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的示例實施例，采用包括沿一個或多個滾輪（roller）的多個桁架單元的計算機化模型。這些桁架單元配置成建模肌帶而每個滾輪配置成建模關節(jié)。每個桁架單元包括兩個端節(jié)點且配置成或關聯(lián)肌肉生物機械性能模型（例如，非線性Hill型。每個滾輪在對應的關節(jié)位置固定。

為了模擬肌帶圍繞關節(jié)的運動，以時間推進模擬的方式動態(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模擬）。在時間推進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。

術語“交換”稱作多個桁架單元的局部網(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。

參照下列對本發(fā)明的實施例的詳細描述、并結(jié)合附圖，本發(fā)明的目的、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)本發(fā)明的一個實施例的、數(shù)字模擬沿骨骼和圍繞關節(jié)的肌肉運動的典型方法的流程圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的、肌帶和關節(jié)的典型計算機化模型的示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、示范性的肌肉生物機械性能模型的示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的、與肌肉生物機械性能模型相關的、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)本發(fā)明的一個實施例的、用于調(diào)節(jié)計算機化模型的、圍繞滾輪的兩個軸向力/壓力的關系示意圖；

圖6A-6C是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、示例的“滑動”和“交換”調(diào)節(jié)的示意圖；

圖7是示例的計算機系統(tǒng)的主要部件的功能框圖，其中可執(zhí)行本發(fā)明的一個實施例。

具體實施方式

參照圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的、數(shù)字模擬沿骨骼和圍繞關節(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)并參照其他附圖進行理解。