數字模擬沿骨骼和圍繞關節的肌肉運動的方法和系統的製作方法
2023-05-27 02:43:31
專利名稱：數字模擬沿骨骼和圍繞關節的肌肉運動的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明總的涉及在計算機輔助工程分析領域使用的方法、系統和軟體產品，更具體地說，涉及數字模擬關節周圍的肌帶運動。
背景技術：
現已採用連續介質力學模擬連續物質，如固體和流體(也就是，液體和氣體)。可採用微分方程求解連續介質力學中的問題。現已採用很多計算方案。最常用的方法是有限元分析(FEA)，它是一種計算方法，被廣泛用於對與諸如三維非線性結構設計和分析等複雜系統相關的工程問題進行建模和求解。有限元分析的名稱源於對所關注的目標物體的幾何特徵進行描述的方式。隨著現代數字計算機的出現，有限元分析已作為有限元分析軟體實現。基本上，有限元分析軟體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，所分析的系統的幾何特徵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點。該模型是由有限數目的有限元組成的，這些有限元都被分配有材料名稱以便於與材料性能相關聯。因此，該模型表示了被分析的目標物體所佔的物理空間以及它的周圍環境。有限元分析軟體隨後涉及列出了每種材料性能(例如，應力-應變本構方程、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境的模型。一個最具有挑戰性的FEA任務是模擬撞擊事件，如車禍。隨著現代計算機的發展，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。傳統的有限元法中，例如在整個模擬過程中祐1架單元(truss element)保持其原始長度不變,將導致在一些現有技術方法產生不平滑或者是急速的運動。因此，較為理想的是，提供一種數字模擬沿骨骼和圍繞關節的肌肉運動的方法和系統。
發明內容
本發明涉及數字模擬沿骨骼和圍繞關節的肌肉運動的方法和系統。根據本發明的示例實施例，採用包括沿一個或多個滾輪(roller)的多個祐1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。每個桁架單元包括兩個端節點且配置成或關聯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位置固定。為了模擬肌帶圍繞關節的運動，以時間推進模擬的方式動態調節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行該調節。有兩種類型的調節，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。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」稱作多個祐1架單元的局部網格重構(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實現。換句話說，通過在滾輪一側去掉一個單元和在滾輪的另一側增加一個單元網格重構用於建模肌帶的桁架單元。因此，在交換調整以後，一對不同的衍架單元跨騎在滾輪上。參照下列對本發明的實施例的詳細描述、並結合附圖，本發明的目的、特徵和優點將會變得明顯。
附圖中:圖1是根據本發明的一個實施例的、數字模擬沿骨骼和圍繞關節的肌肉運動的典型方法的流程圖；圖2是根據本發明的實施例的、肌帶和關節的典型計算機化模型的示意圖；圖3是根據本發明的一個實施例的、示範性的肌肉生物機械性能模型的示意圖；圖4是根據本發明的實施例的、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是根據本發明的一個實施例的、用於調節計算機化模型的、圍繞滾輪的兩個軸向力/壓力的關係示意圖；圖6A-6C是根據本發明的一個實施例的、示例的「滑動」和「交換」調節的示意圖；圖7是示例的計算機系統的主要部件的功能框圖，其中可執行本發明的一個實施例。
具體實施例方式參照圖1，示出了根據本發明的實施例的、數字模擬沿骨骼和圍繞關節的肌肉運動的示範過程100的流程圖。該過程100優選在軟體中實現並參照其他附圖進行理解。過程100始於在步驟102定義數字模擬肌肉運動的計算機化模型(例如，有限元分析(FEA)模型)。圖2示出了人的手臂的肌帶和關節的示範計算機化模型210。該計算機化模型210包括，下面要具體說的，表示肌帶的多個桁架單元212和表示關節的至少一個滾輪。在計算機系統中(例如圖7中所示的計算機系統700)接收該計算機化模型210。每個桁架單元212具有定義單元長度的兩個端節點。在三維空間中，每個節點具有3個平移自由度。每個桁架單元與肌肉生物機械性能模型相關，例如圖3中示出的非線性Hill型肌肉生物機械性能模型300。該非線性Hill型肌肉模型300採用平行設置的可收縮單元(CE)301、阻尼單元(DE) 302和被動單元(PE) 303效仿肌肉生物機械性能。配置有該生物機械性能模型的桁架單元根據其橫截面傳遞軸向力(也就是，牽引力或張力)以響應在數字模擬中的條件。在兩端示出桁架單元212的張應力σ 304。採用眾所周知的方法計算張應力σ 304，如張力除以桁架單元的橫截面。
可收縮單元301表示肌肉的力生成，且其包括最大應力σ _，時間依賴性激活水平函數a (t)，應變依賴縮放函數f ( ε )和應變率依賴縮放函數§( ):
Cf * 40 『/O〕H被動單元303表示來自肌肉彈性的能量存儲，其包括最大應力σ_和應力依賴非線性彈性函數 h ( ε ): ( = 』h(e)0阻尼單元302表示肌肉粘性且其取決於應變、應變率和阻尼常數=合成軸向應力(也就是，張應力)304是所有這些分量之和Ar = %￡ 『 σΡΕ + σ3Β。圖4示出了描繪示範非線性Hill型生物機械性能模型的圖表400。圖表400為具有軸向應力的垂直軸和桁架單元的歸一化長度的水平軸的X-Y坐標圖。示出了 4段曲線402和402a_c。曲線402表示總軸向應力σ而曲線402a表示σ CE，曲線402b表示σ PE且曲線402c表示oDE。桁架單元的歸一化長度是當前長度⑴與非伸展長度(I。)之比的無量綱量。非伸展長度是桁架單元在時間推進模擬開始時(也就是，時間=0)的長度，而當前長度是在特定求解周期時(也就是，時間=t)的長度。換句話說，歸一化長度在模擬開始時等於I。應注意，應變ε的計算如下(1-10 )/ I。或(I / I。)-1。每個滾輪214的一個節點固定在關節的位置。該節點(圖2中示出為空心圓環)由橫跨該滾輪的桁架單元對共享。滾輪500 (例如滾輪214)配置成具有圖5中示出的包角502。包角502由橫跨滾輪500的桁架單元對504a_b各自的定向確定。換句話說，包角502是祐1架單元對的軸向方向 形成的包容角(inclusive angle)。張力T1 514a和T2 514b是桁架單元504a_b的對應軸向力。用來數字模擬肌肉運動的滾輪500滿足被稱為CAPSTAN等式的等式:T2 = T1 eM在此，T2 514b是聞張力而T1 514a是低張力，而Θ是包角，μ是摩擦係數。接著在步驟104，該過程100使用具有配置成模擬肌肉運動的應用模塊的計算機化模型(例如，具有配置成模擬肌肉運動的單元的有限元分析(FEA))執行時間推進模擬。該時間推進模擬包含一系列連續求解周期或表示時間經過的時間步驟。FEA可採用各種已知技術，如顯解、隱含解等。通常，在各個求解周期，可獲得一組節點加速度、速度和位移。這些量的時間史是數字模擬結果。一旦在計算機化模型中定義了肌肉和關節，最初可在步驟106獲得每個求解周期的肌肉運動結果。例如，在每個求解周期計算桁架單元的軸向應力和應變(也就是，伸展)。模擬的沿骨骼和圍繞關節的肌肉運動進一步包括將要實現的桁架單元的調節。在步驟108，在每個節點(也即是，在計算機化模型的每個滾輪)以「滑動」和「交換」的形式作出這些調節。對於橫跨滾輪的每個桁架單元對，需要保持CAPSTAN等式。當計算的桁架單元對的軸向力不能滿足CAPSTAN等式，作出「滑動」和「交換」的形式的調節。「滑動」調節重新定義桁架單元對的各自的非伸展長度。特別地，一個單元的非伸展長度降低而同樣的量將增加到該桁架單元對的另一單元上，直至滿足CAPSTAN等式。因為增加的長度等於減少的長度，該桁架單元對的總的非伸展長度保持恆定。此外，採用非線性迭代技術(例如布倫特(Brent)法)執行「滑動」調節，該非線性迭代技術需要使用調節後的計算機化模型重新計算桁架單元對的軸向應力和應變。當在一個或多個「滑動」調節之後，桁架單元對的一個變得過短，可通過從其當前位置移除「過短」的單元並將其增加到滾輪的另一側來進行「交換」調節。另外，改變與滾輪有關的節點(參見圖6C和下面的對應描述)。「交換」調節也稱為計算機化模型的局部網格重構(也就是桁架單元的連通性的網格重構)。為了確定單元是否過短，可採用眾所周知的方法如預定閾值法(例如最小長度)。最後，為了防止剛剛移動的單元前後逆行(thrash)，除最小長度外，還對「交換」調節中的每個網格重構的單元給出緩衝。例如，10%的緩衝意味著給定最新網格重構的單元(也就是，剛剛從滾輪的一側移動到另一側的單元)的長度等於用作閾值的最小長度的1.1倍。圖6A-6C示出了依照本發明的一個實施例的、示例的「滑動」和「交換」調節順序。為了簡明起見，在該典型順序描述中，僅示出了三個桁架單元(「el」 611，「e2」 612和「e3」 613)和一個滾輪(示出為在節點602初始固定在陰影區域的空心圓環)。桁架單元「el」 611具有兩個端節點「nl」 601和「n2」602。單元「e2」 612由節點「n2」 602和「n3」603定義，而單元「e3」 613由節點「n3」 603和「n4」 604定義。圖6A示出了典型順序的第一配置。單元「el」 611和「e2」 612在共享節點「n2」602跨接滾輪。圖6B示出了在計算了單元的軸向應力和應變之後一點的第二配置。在節點602檢驗滾輪的CAPSTAN等式。進行「滑動」調節以重定義單元「el」 611和「e2」 612各自的非伸展長度。在示例的順序中，單元「el」 611增加的長度等於單元「e2」 612減少的長度。如圖6C的第三配置所示，當單元「e2」 612與閾值(也就是最小長度Imin)相比過短時，通過將單元「e2」 612從滾輪的一側移動到另一側執行「交換」調節。結果，在「交換」調節之後，滾輪與不同節點603相關。通過將在時間推進模擬中表示時間進程的每個求解周期的結果連接起來，可以獲得沿著骨骼和圍繞關節的肌肉運動的時間史。根據一個實施例，本發明以下列算法在軟體中實現:I)對每個桁架單元進行標準力計算-獲得非伸展長度I。-計算當前長度I和應變率 -作為1。，I和 的函數計算軸向應力.= σ€ε + σρε 4--計算軸向力T= A σ2)對於橫跨滾輪的每個桁架單元對進行力和長度校正(也就是，「滑動」調節)-將計算的軸向力作為試算值:-檢驗CAPSTAN 等式-如果CAPSTAN等式滿足，使用試算值作為張力-否則，使用迭代技術找出非線性函數的根(Δ1)T2Kll +Μ. ....) _ = 0-更新桁架單元對的各自的非伸展長度
-使用從根計算的張力。3)將「過短」單元從滾輪的一側移動到另一側的「交換」調節-當桁架單元對的一個相對閾值(也就是，最小長度Imin)過短時，重構桁架單元-改變祐1架單元的連通性-改變與滾輪相關的節點-為剛移動的單元創建新的節點以確保其比Imin長-對剛移動的單元修改單元性能本發明的實施例涉及一個或多個能夠執行在此描述的功能的計算機系統。計算機系統700的例子在圖7中示出。計算機系統700包括一個或多個處理器，例如處理器704。處理器704連接到計算機系統內部通信總線702。關於該示範性的計算機系統，有各種軟體實現的描述。在讀完這一描述後，相關技術領域的人員將會明白如何使用其它計算機系統和/或計算機架構來實施本發明。計算機系統700還包括主存儲器708，優選隨機存取存儲器(RAM)，還可包括輔助存儲器710。輔助存儲器710包括例如一個或多個硬碟驅動器712和/或一個或多個可移除存儲驅動器714，它們代表軟磁碟機、磁帶驅動器、光碟驅動器等。可移除的存儲驅動器714用已知的方式從可移除存儲單元718中讀取和/或向可移除存儲單元718中寫入。可移除存儲單元718代表可以由可移除存儲驅動器714讀取和寫入的軟盤、磁帶、光碟等。可以理解，可移除存儲單元718包括其上存儲有計算機軟體和/或數據的計算機可讀媒介。在可選實施例中，輔助存儲器710可包括其它類似的機制，允許電腦程式或者其它指令被裝載到計算機系統700。這樣的機制包括例如可移動存儲單元722和接口 720。這樣的例子可包括程序盒式存儲器和盒式存儲器接口(例如，視頻遊戲設備中的那些)、可移動存儲晶片(例如可擦除的可編程只讀存儲器(EPROM))、通用串行總線(USB)快閃記憶體、或者PR0M)以及相關的插槽、以及其它可移動存儲單元722和允許軟體和數據從可移動存儲單元722傳遞到計算機系統700的接口 720。通常，計算機系統700由作業系統(OS)軟體控制和管理，作業系統執行例如進程調度、存儲器管理、網絡連接和I/O服務。可能還設有連接到總線702的通信接口 724。通信接口 724允許軟體和數據在計算機系統700和外部設備之間傳遞。通信接口 724的例子包括數據機、網絡接口(例如乙太網卡)、通信埠、個人計算機存儲卡國際協會(PCMCIA)插槽和卡等等。通過通信接口724傳輸的軟體和數據是信號728的形式，該信號可以是電子、電磁、光學或者其他可以被通信接口 724接收的信號。計算機700基於一組特定的規則(也就是，協議)通過數據網絡與其它計算設備通信。通用協議的其中一種是在網際網路中通用的TCP/IP (傳輸控制協議/網際網路協議)。通常，通信接口 724將數據文件組合處理成較小的數據包以通過數據網絡傳輸，或將接收到的數據包重新組合成原始的數據文件。此外，通信接口 724處理每個數據包的地址部分以使其到達正確的目的地，或者中途截取發往計算機700的數據包。在這份文件中，術語「電腦程式媒介」和「計算機可用媒介」都用來指代媒介，例如可移動存儲驅動器714和/或設置在硬碟驅動器712中的硬碟。這些電腦程式產品是用於將軟體提供給計算機系統700的手段。本發明涉及這樣的電腦程式產品。計算機系統700還包括輸入/輸出(I/O)接口 730，它使得計算機系統700能夠接入顯示器、鍵盤、滑鼠、印表機、掃描器、繪圖機、以及類似設備。
電腦程式(也被稱為計算機控制邏輯)作為應用模塊706存儲在主存儲器708和/或輔助存儲器710中。也可通過通信接口 724接收電腦程式。這樣的電腦程式被執行時，使得計算機系統700執行如在此所討論的本發明的特徵。特別地，當執行該電腦程式時，使得處理器704執行本發明的特徵。因此，這樣的電腦程式代表計算機系統700的控制器。在本發明採用軟體實現的實施例中，該軟體可存儲在電腦程式產品中，並可使用可移動存儲驅動器714、硬碟驅動器712、或者通信接口 724加載到計算機系統700中。應用模塊706被處理器704執行時，使得處理器704執行如在此所述的本發明的功能。主存儲器708可被加載一個或多個應用模塊706(例如，其內編程或配置有時間流變材料構成等式的有限元分析應用模塊)，所述應用模塊706可被一個或多個處理器704執行以實現期望的任務，所述處理器可具有或不具有通過I/O接口 730輸入的用戶輸入。在運行中，當至少一個處理器704執行一個應用模塊706時，結果被計算並存儲在輔助存儲器710 (也就是，硬碟驅動器712)中。肌肉運動的計算機模擬狀態(例如有限元分析結果)以文字或者圖形表示的方式通過I/O接口報告給用戶。雖然參照特定的實施例對本發明進行了描述，但是這些實施例僅僅是解釋性的，並不用於限制本發明。本技術領域的人員可得到暗示，對具體公開的示範性實施例做出各種修改和改變。例如，雖然在說明書中示出和描述將人手臂的肌肉和關節作為桁架單元和滾輪進行建模，但也可以對其他肌肉和關節建模，比如腿部肌肉和膝關節或踝關節。此外，雖然示出和描述了非線性Hill型肌肉生物機械性能模型，也可以採用其他合適的數字模型來仿效肌肉生物機械性能。此外，雖然示出和描述了三個桁架單元和一個滾輪用於「滑動」和「交換」調節，本發明並不限於有多少個桁架單元和滾輪來表示肌肉和關節。總之，本發明的範圍不限於在此公開的特定示範性實施例，對本技術領域人員來說暗含的所有修改都將被包括在本申請的精神和範圍以及後附權利要求的範圍內。
權利要求
1.一種數字模擬沿骨骼和圍繞關節的肌肉運動的方法，其特徵在於，包括: 在其上安裝有被配置成執行時間推進肌肉運動模擬的應用模塊的計算機系統中，接收包含多個桁架單元和至少一個滾輪的計算機化模型，所述多個桁架單元配置成表示肌帶而每個滾輪配置成表示關節，且所述多個桁架單元關聯肌肉生物機械性能模型； 所述計算機系統中的應用模塊採用所述計算機化模型控制所述時間推進模擬，所述時間推進模擬包括表示時間經過的一系列連續求解周期； 在每個求解周期計算所述多個桁架單元的軸向應力和應變；以及對橫跨每個滾輪的每個桁架單元對實施滑動和交換調節，以獲得所述肌帶沿著骨骼和圍繞關節的數字模擬運動。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述滑動調節重新定義所述每個桁架單元對的各個非伸展長度。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述交換調節在所述每個桁架單元對的一個桁架單元由於所述滑動調節變得短於閾值時發生。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述交換調節將所述每個桁架單元對的所述一個桁架單元從所述每個滾輪的第一側移動到第二側。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，在所述交換調節之後，所述每個桁架單元對的所述一個桁架單元配置成具有大於閾值的長度。
6.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，在每個滾輪處利用CAPSTAN等式迭代確定各個非伸展長度。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述CAPSTAN等式是所述每個桁架單元對的各個軸向應力和應變與所述每個滾輪的包角的函數。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述每個滾輪的包角是由所述每個桁架單元對的各自定向確定的。
9.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述計算機化模型是有限元分析模型。
10.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述肌肉生物機械性能模型是非線性Hill型肌肉生物機械性能模型。
11.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述每個滾輪包含所述每個桁架單元對共享的節點。
12.—種數字模擬沿骨骼和圍繞關節的肌肉運動的系統，其特徵在於，包括: 輸入輸出(I/O)接口 ； 存儲器，存儲用於配置成肌肉運動模擬的一個或多個應用模塊的計算機可讀代碼；至少一個處理器，耦連所述存儲器，所述至少一個處理器執行所述存儲器中的所述計算機可讀代碼以使得所述一個或多個應用模塊執行以下操作: 接收包含多個桁架單元和至少一個滾輪的計算機化模型，所述多個桁架單元配置成表示肌帶而每個滾輪配置成表示關節，且所述多個桁架單元關聯肌肉生物機械性能模型；所述計算機系統中的應用模塊採用所述計算機化模型控制所述時間推進模擬，所述時間推進模擬包括表示時間經過的一系列連續求解周期； 在每個求解周期計算所述多個桁架單元的軸向應力和應變；以及 對橫跨每個滾輪的每個桁架單元對實施滑動和交換調節， 以獲得所述肌帶沿著骨骼和圍繞關節的數字模擬運動。
13.根據權利要求12所述的系統，其特徵在於，所述滑動調節重新定義所述每個桁架單元對的各個非伸展長度。
14.根據權利要求13所述的系統，其特徵在於，所述交換調節在所述每個桁架單元對的一個桁架單元由於所述滑動調節變得短於閾值時發生；且所述交換調節將所述每個桁架單元對的所述一個桁架單元從所述每個滾輪的第一側移動到第二側。
15.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於，在每個滾輪處利用CAPSTAN等式迭代確定各個非伸展長度。
全文摘要
公開了用於數字模擬沿骨骼和圍繞關節的肌肉運動的方法和系統。採用包括多個桁架單元和一個或多個滾輪的計算機化模型。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。每個桁架單元包括兩個端節點且配置成或關聯肌肉生物機械性能模型。每個滾輪在對應的關節位置固定。為了模擬肌帶圍繞關節的運動，以時間推進模擬的方式動態調節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行該調節。有兩種類型的調節，即「滑動」和「交換」。
文檔編號G06F17/50GK103077260SQ201210286459
公開日2013年5月1日 申請日期2012年8月13日 優先權日2011年10月25日
發明者託比亞斯·埃爾哈特 申請人:利弗莫爾軟體技術公司