Interaktive Simulation biomechanischer Bewegungsabläufe

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines allgemeinen biomechanischen Menschmodells, das unter dem Gesichtspunkt einer schnellen interaktiven Simulation in Wechselwirkung mit seiner Umwelt treten kann. Schnell bedeutet hierbei, dass spätestens innerhalb von wenigen Sekunden das gewünschte Simulationsergebnis vorliegt. Interaktiv heißt zum einen, dass während der Berechnung jederzeit eine grafische Darstellung der Simulationsszene erfolgt und zum anderen, dass der Anwender während der Simulation die Möglichkeit hat aktiv einzugreifen. Die Genauigkeit der Simulation wird dabei keineswegs vernachlässigt werden.

Erreicht wird dies vor allem indem bei der Kollisionserkennung neue Wege gegangen werden und bei der Aufstellung der Bewegungsgleichungen eine spezielle Struktur erstellt wird.

Dabei wird eine starke Verknüpfung zwischen der 3-dimensionalen Grafik und der Simulation hergestellt, so dass beide eng miteinander verbunden sind. Das heißt zum einen, dass die physikalischen Parameter wie zum Beispiel Masse und Trägheitstensor direkt aus der 3D-Flächendarstellung eines Körpers berechnet werden und zum anderen, dass die Simulation die 3D-Grafik verwendet um eine Wechselwirkung des Menschmodells mit der Umwelt und sich selbst herzustellen.

Für biomechanische Simulationen sind vor allem die Kenntnis bzw. Rekonstruktion der inneren Momente des Menschen bei bestimmten Bewegungsabläufen interessant. Am Beispiel einer aktiven Vorwärtssimulation eines Reckturners wird die Einsetzbarkeit des hier entwickelten Verfahrens zur Rekonstruktion von inneren Momenten demonstriert.

Weitere Ziele der biomechanischen Menschsimulation sind ausgiebige Parameter- und Sensitivitätsanalysen ohne die eine Simulation nicht validiert werden kann. Dies soll am Beispiel von Fussgänger-PKW Unfallsimulationen demonstriert werden.

The goal of this thesis was the development of a general biomechanical human model computer simulation, that is fast, interactive and can interact with its environment. Here, fast means that the simulation result will be available in a matter of a few seconds. Interactivity reflects the fact that at any time the user has a 3D-graphical presentation of the simulation and also the possibilty to change and influence the simulation while it is running. The precision of the simulation is not neglected.

This approach is mainly possible due to new ways on how a collision detection is implemented between 3D models and the way of how the equations of motion are formulated.

The simulation features a strong coupling between 3D-graphics and the physical simulation. That means physical properties like mass and the inertia of a body are directly derived from the 3D-graphical representation of a body. On the other side the 3D-graphics that are visible to the user are directly used for the collision detection of the human model with itself and its environment.

One of the main goals in biomechanical simulations is to find out and reconstruct the inner moments that drive certain biomechanical movements, like walking or jumping. As an example on how to reconstruct inner moments, an interactive forward simulation of a bar gymnast is demonstrated.

A further important topic in biomechanical simulations is the sensitivity analysis of model parameters. Without them not much can be said about the validity of a given simulation. To show the power of the simulation developed in this thesis, a parameter sensitivity analysis will be performed for a crash simulation between cars and pedestrians.