Stoßuntersuchungen an Armmodellen mit Weichteilen
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Düsseldorf
VDI-Verl.
2004
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| Schriftenreihe: | Fortschrittberichte VDI
Reihe 17, Biotechnik ; 238 |
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Inhalt
Formelzeichen VIII
Abstract XI
1 Einleitung 1
1.1 Literatlirübersicht 2
1.1.1 Mehrkörpersysteme und Kontaktmechanik 2
1.1.2 Menschliche Weichteile und Hand-Arm-Systeme 3
1.1.3 Parameteridentifikation und Optimierung 5
1.2 Zielsetzung und Inhalt der Arbeit 6
2 Mehrkörpersysteme 9
2.1 Kinematik von Mehrkörpersystemen 10
2.2 Kinetik von Mehrkörpersystemen 12
2.3 Bewegungsgleichungen 13
2.4 Modulare Modellierung und Simulation 14
2.5 Beispiel: Zweigliedriges starres Armmodell 17
3 Menschliche Weichteile 22
3.1 Aufbau des menschlichen Unterarms 23
3.1.1 Anatomie des Unterarms 23
3.1.2 Aufbau der Weichteile 25
3.2 Eigenschaften der Schwabbelmassen 28
3.3 Vorhandene Modelle der menschlichen Weichteile 30
yj _ Inhalt
3.4 Entwickelte Schwabbelmassenmodelle 32
3.4.1 Starre Körper 32
3.4.2 Massenpunktmodell 34
4 Kollisionserkennung und Kontaktberechnung 37
4.1 Konturbeschreibung 38
4.2 Kontaktkinematik 41
4.3 Kollisionserkennung für starre Körper 42
4.3.1 Geometrieinformationen 42
4.3.2 Triangularisierung 44
4.3.3 Kollisionserkennung 45
4.3.4 Kontaktgeometrie 50
4.3.5 Kontaktkraftberechnung 53
4.3.6 Kontaktalgorithmus 55
4.4 Erweiterung der Kontaktberechnung auf verformbare Körper 56
4.5 Anbindung an das Simulationssystem NEWMOS 58
4.6 Beispiel: Fallender Kreiszylinder 59
5 Ermittlung der Modellparameter 65
5.1 Optimierung für den Modellabgleich 66
5.1.1 Theoretische Grundlagen 66
5.1.2 Optimierungsverfahren 69
5.2 Optimierung in einer verteilten Rechnerumgebung 71
5.2.1 Parallelisierung der Evolutionsstrategie 71
5.2.2 Realisierung mit dem Simulationstool NEWMOS 72
5.3 Messungen zur Bestimmung der Modellparameter 74
5.3.1 Messung des Ellenbogenwinkels 74
5.3.2 Messung der Kontaktkraft 75
5.3.3 Messung der Weichteilbewegungen 75
5.3.4 Messung der Muskelaktivierung während der Armbewegung .... 77
Inhalt VII
6 Untersuchungen am menschlichen Arm 78
6.1 Mechanische Daten des realen Arms 78
6.2 Starres Referenzmodell 81
6.2.1 Aufbau des Versuchsmodells 82
6.2.2 Aufbau des Simulationsmodells 84
6.2.3 Bewegungsbeschreibung 85
6.2.4 Optimierungs- und Simulationsergebnisse 86
6.3 Armmodell mit starren Schwabbelmassen 89
6.3.1 Modellaufbau 89
6.3.2 Bewegungsbeschreibung 94
6.3.3 Optimierungs- und Simulationsergebnisse 94
6.3.4 Einfluß der Weichteile 106
6.3.5 Optimierungs- und Simulationsergebnisse ohne Schlagbolzen .... 107
6.4 Armmodell mit verformbaren Schwabbelmassen 108
6.4.1 Modellaufbau 108
6.4.2 Bewegungsbeschreibung 112
6.4.3 Optimierungs- und Simulationsergebnisse 112
6.4.4 Einfluß der Weichteile 117
6.5 Vergleich der Armmodelle 117
7 Zusammenfassung 118
Literatur 121
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