Vývoj virtuálního modelu člověka jako multibody systému

Ing. Jan ŠPIČKA

Doctoral thesis

On the development of a virtual human body model based on multibody principle

Abstract:

This work is focused on the virtual modelling of the human body, with the main focuse on the full body models, utilized and developed for dynamics crash scenarios. This thesis firstly presents a brief overview of the current state of the art in the human models. However, the main aim of this work is to use multibody method for a spatial modelling of a system of constrained rigid bodies. The theory of Euler angles and Euler parameters are used here and their pros and cons are discussed. The full equation of motion is expanded with the algorithms for numerical stabilization, contact calculation and internal stiffness of the joints. The full human body model is modelled via Euler parameters and consists of 17 rigid bodies connected via kinematics joints. Here, all bodies have shape of ellipsoid and all joints are modelled as spherical joints. The dimension, mass and inertia of each body is set based on literature and real data measurement. The model is built as a scalable model, where only total weight and height are pre-defined inputs and the particular model (dimensions, masses, inertia) is created by scaling of the reference model. In order to include range of motion of the joints, as well as their physiological stiffness, external torques are added on each body. These torques are function of the relative rotations between the adjoining bodies and are added as an external loading to the equation of motion. Relative rotation between the bodies is solved with the advantages of the Euler parameters (quatermions), that allow direct calculation of the current axis of rotation and relative angle of rotation around this axis. Contact algorithm is solved with the continuous force model, where several force models are included. The total equation of motion is numerically integrated in MATLAB, using standard ODE solvers. To ensure the numerical stability (which is generally not guaranteed in the constrained dynamical system), two methods for stabilization are utilized (Baumgarte and direct violation method). The work presents the results of particular methods and algorithms on basic benchmark examples. Due to the lack of experimental data, some examples are verified only with the visual observation method. The final model of the human body was utilized in set of crash scenarios, where its behavior was tested. The model, especially its parameters (contact parameters, stiffness and numerical parameters) are not set up to approximate any particular scenario. They were setup in order to make the model working, realistic and numerically stable. Such status of model can be called "validation ready model". If the application of this model in one particular case would be required, the full validation and parameters optimization will be essential, to correctly set the model up. However, purpose of this work was to build a general algorithm for a solution of the multibody approach, to include additional algorithms for a human body modelling and to get overview how they work, how they can be coded, to understand them and to find their advantages and disadvantages. Despite some limitations of this model, the goal of this work was successfully achieved.

Abstract:

Tato práce se zabývá virtuálními modely lidského těla, používané pro kolizní dynamické scénáře. V úvodu této práce je uveden krátký přehled aktuálních modelů u lidského těla. Hlavním cílem této práce je využití multibody metody pro popis prostorového pohybu systému vázaných tuhých těles. Jsou zde využity koncepty Eulerových úhlů a Eulerových parametrů a diskutovány jejich výhody a nevýhody. Celková pohybová rovnice modelu je dále rozšířena o algoritmy pro numerickou stabilizaci, výpočet kontaktu a výpočet vnitřní tuhosti kloubů. Pro kompletní popis lidského těla je využito Eulerových parametrů a takto vytvořený model se skládá ze 17 tuhých těles, vzájemně vázaných kinematickým kloubem. Všechna tělesa mají tvar elipsoidu a všechny klouby jsou modelovány jako sférické klouby. Rozměry, hmotnosti a setrvačnost každého tělesa jsou definovány z literatury a z reálných naměřených dat. Tento model je vytvořen jako škálovatelný, kde vstupy jsou pouze celková výška a hmotnost a konkrétní model (jeho hmotnost, rozměry a setrvačnost) je vytvořen vyškálováním referenčního modelu. Pro modelování fyziologického rozsahu pohybu jednotlivých kloubů, a také pro modelování jejich vnitřní tuhosti, jsou do modelu přidány zátěžné momenty. Tyto momenty jsou funkcí relativního natočení mezi jednotlivými tělesy a posléze jsou přidány jako vnější zatížení do pohybové rovnice. Relativní natočení mezi tělesy je zde vyřešeno díky vlastnostem Eulerových parametrů (kvatermionů), ze kterých lze přímo získat aktuální osu rotace a úhel natočení okolo této osy. Kontaktní algoritmus je řešen pomocí modelu spojité kontaktní síly, s několika modely kontaktní síly. Pohybová rovnice celého mechanického systému je numericky integrována pomocí systému MATLAB a jeho standardními funkcemi ODE. Pro zajištění numerické stability, která pro úlohy vázané dynamiky není obecně zaručena, je využito dvou metod numerické stabilizace (Baumgartova stabilizace a metoda přímého porušení). Tato práce prezentuje výsledky dílčích metod a algoritmů na jednoduchých elementárních úlohách. Vzhledem k nedostatku experimentálních dat jsou některé úlohy ověřovány pouze pomocí metody přímého vizuálního pozorování. Kompletní model lidského těla je použit v sérii několika kontaktních úloh, kde bylo testováno jeho chování. Tento model, speciálně jeho parametry (kontaktní parametry, tuhosti a numerické parametry), nejsou nastaveny tak, aby simulovaly konkrétní scénář. Byly nastaveny tak, aby výsledný model fungoval, aby dával korektní data a byl numericky stabilní. Tento status lze nazvat model připravený pro validaci. Pokud by bylo vyžadováno využití tohoto modelu v nějakém konkrétním příkladu, bylo by nutné provedení kompletní validace a optimalizace všech parametrů pro správné nastavení modelu. Účelem této práce je vytvoření obecného algoritmu pro řešení úloh vázaných tuhých těles s uvažováním dalších algoritmů pro potřeby modelování lidského těla, získání znalostí jak tyto algoritmy fungují, jak mohou být programově řešeny a jaké jsou jejich výhody a nevýhody. I přes určité limity výsledného modelu lze říci, že účelu této práce bylo dosaženo.

Keywords

model lidského těla, vázaná tuhá tělesa, kontakt, tuhost kloubu, Eulerovy parametry

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 11. 2020

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Doc. Ing. Luděk Hynčík, Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Applied Mechanics