JP2004054881A - Design support device for human body wearing article - Google Patents

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JP2004054881A
JP2004054881A JP2002296134A JP2002296134A JP2004054881A JP 2004054881 A JP2004054881 A JP 2004054881A JP 2002296134 A JP2002296134 A JP 2002296134A JP 2002296134 A JP2002296134 A JP 2002296134A JP 2004054881 A JP2004054881 A JP 2004054881A
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Takao Oda
尾田 貴雄
Kazuhiro Omori
大森 一寛
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Mizuno Corp
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Mizuno Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a design support device capable of measuring force applied to legs, hands or arms during movement such as walking or running while a person wears a human body wearing article such as shoes. <P>SOLUTION: The design support device for the human body wearing article uses a finite element method, and it supports design of the human body wearing article by calculating stress applied to each part of an upper limb or a lower limb when a predetermined movement is carried out by wearing the human body wearing article in the upper limb or the lower limb. The design support device is provided with an input device 1, an arithmetic part 2, a display device 3, and a storage 4. The arithmetic part 2 calculates the stress by using a lower limb finite element model or an upper limb finite element model, and a human body wearing article finite element model. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有限要素法を用い、シューズやグラブ等の人体に装着する人体装着物品の設計に用いる設計支援装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、たとえばシューズの設計に際して、足骨格をモデル化し、解析モデルとして用いている。この足骨格の解析モデルの一例として、足の骨格要素と、これらを接続する関節要素を含み、骨格要素を剛体とし、足根中央部を構成する舟状骨、立方骨および内側・中間・外側楔状骨を一体化し、踵骨、距骨、足根中央部、第1〜第5中足骨の計8要素で構成されたものがある。
【0003】
また、コンピュータ上で人体モデルを利用して人体の挙動をシミュレートして解析する技術に関し、たとえば特開2002−149719号公報に開示されている。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−149719号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
人がシューズを履いて歩行あるいは走行するときには、たとえば第1指や第2指の中足趾関節まわりには過大な負担がかかり、長時間歩き続けたり走り続けると、疲労骨折の原因の1つになることがある。また、足が痛くなると、直接障害につながらなくても、肉体的ストレスや精神的ストレスの原因となり得る。
【0006】
よって、人が歩行あるいは走行するときに足の骨に発生する力を測定することが望まれる。しかし、上述の従来の足骨格の解析モデルは、実際の足骨格をかなり簡略化して作成されているので、実際に人が歩行あるいは走行するときに足の骨や関節に発生する力を測定するのは困難である。また、筋や腱等に発生する力を測定することもできない。
【0007】
また、特開2002−149719号公報記載の人体モデルでは、歩行や走行等の能動的な動作を行なうために必要な筋、腱、靭帯、支帯の一部についてモデル化を省略しているので、能動的な動作を再現することは困難である。したがって、該能動的な動作時に筋、腱、靭帯、支帯等に作用する力を高精度に算出することが困難となる。
【0008】
そこで、本発明は、人がシューズやグラブ等の人体装着物品を装着して歩行や走行、捕球等の能動的な動作を行った際に下肢や上肢に発生する応力等を高精度に算出することができる設計支援装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る人体装着物品の設計支援装置は、有限要素法を用い、人体の上肢あるいは下肢に人体装着物品を装着して動作を行った時に上肢あるいは下肢にかかる応力を算出することにより人体装着物品の設計を支援する設計支援装置であって、下肢をモデル化した下肢有限要素モデルあるいは上肢をモデル化した上肢有限要素モデルと、人体装着物品をモデル化した人体装着物品有限要素モデルとを用いて上記応力を算出する演算部を備えたことを特徴とする。
【0010】
本発明の下肢有限要素モデルおよび上肢有限要素モデルは、下肢および上肢を従来例よりも格段に正確に再現し、また指先から腕や足の付根までの骨格要素のみならず、関節要素、筋要素、腱要素、支帯要素、軟組織要素などの種々の要素を含むものである。かかる下肢有限要素モデルあるいは上肢有限要素モデルと、人体装着物品有限要素モデルとを用いて上記応力を算出することにより、下肢あるいは上肢の各部にかかる応力等を従来例よりも格段に正確に算出することができる。
【0011】
上記下肢有限要素モデルは、好ましくは、足根骨要素と、中足骨要素と、種子骨要素と、指骨要素と、腓骨要素と、脛骨要素と、膝蓋骨要素と、大腿骨要素と、骨盤要素と、関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素と含む。
【0012】
下肢の踵衝突解析を行なう場合には、下肢有限要素モデルは、4個の足根骨要素と、5個の中足骨要素と、5個の指骨要素と、腓骨要素と、脛骨要素と、膝蓋骨要素と、大腿骨要素と、骨盤要素と、関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素と含むことが好ましい。
【0013】
下肢の安定性解析を行なう場合には、下肢有限要素モデルは、1個の足根骨要素と、5個の中足骨要素と、5個の指骨要素と、腓骨要素と、脛骨要素と、膝蓋骨要素と、大腿骨要素と、骨盤要素と、関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素と含むことが好ましい。
【0014】
下肢の屈曲性解析を行なう場合には、下肢有限要素モデルは、2個の足根骨要素と、5個の中足骨要素と、5個の指骨要素と、腓骨要素と、脛骨要素と、膝蓋骨要素と、大腿骨要素と、骨盤要素と、関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素と含むことが好ましい。
【0015】
歩行や走行等の連続的な能動動作についての解析を行なう場合には、下肢有限要素モデルは、7個の足根骨要素と、5個の中足骨要素と、14個の指骨要素と、腓骨要素と、脛骨要素と、膝蓋骨要素と、大腿骨要素と、骨盤要素と、関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素と含むことが好ましい。
【0016】
上記上肢有限要素モデルは、手根骨要素と、中手骨要素と、種子骨要素と、指骨要素と、尺骨要素と、橈骨要素と、上腕骨要素と、関節要素と、筋要素と、軟組織要素と含むことが好ましい。
【0017】
捕球動作解析を行なう場合には、上肢有限要素モデルは、1個の手根骨要素と、5個の中手骨要素と、14個の指骨要素と、尺骨要素と、橈骨要素と、上腕骨要素と、関節要素と、筋要素と、軟組織要素と含むことが好ましい。より好ましくは、上肢有限要素モデルは、8個の手根骨要素と、5個の中手骨要素と、14個の指骨要素と、尺骨要素と、橈骨要素と、上腕骨要素と、関節要素と、筋要素と、軟組織要素と含む。
【0018】
下肢有限要素モデルと上肢有限要素モデルは骨格要素を含み、該骨格要素を8節点ソリッド要素で構成することが好ましい。また、下肢有限要素モデルと上肢有限要素モデルは、筋要素、腱要素および支帯要素を含み、該筋要素、腱要素および支帯要素を、シェル要素あるいはビーム要素で構成することが好ましい。このとき、シェル要素を異方性材料とし、ビーム要素を等方性材料とすることが好ましい。
【0019】
上記人体装着物品有限要素モデルは、シューズモデルを含み、下肢有限要素モデルは、軟組織要素を含む。この場合、下肢有限要素モデルとシューズモデルとの複数の節点に軟組織要素を配置することが好ましい。該軟組織要素は、たとえば、踵部軟組織要素と、前足部軟組織要素とを含む。該踵部軟組織要素の分割数を2分割以上17分割以下とし、前足部軟組織要素の分割数を2分割以上5分割以下とすることが好ましい。
【0020】
人体装着物品有限要素モデルを、8節点ソリッド要素、4節点ソリッド要素、3節点シェル要素からなる群から選ばれる少なくとも1種の要素で構成することが好ましい。
【0021】
下肢有限要素モデルと上肢有限要素モデルは、関節要素を含み、該関節要素を、ソリッド要素、シェル要素およびビーム要素からなる群から選ばれる少なくとも1種の要素で構成することが好ましい。関節要素をソリッド要素で構成した場合、関節要素の分割数を3分割以上5分割以下とすることが好ましい。
【0022】
下肢有限要素モデルは、中足骨要素と、指骨要素と、該中足骨要素と指骨要素とを連結する中足指節関節要素とを含む。この場合、中足指節関節要素をビーム要素で構成し、該ビーム要素を中足骨要素と指骨要素の結合面の中心付近に配置することが好ましい。
【0023】
上記下肢有限要素モデルは、長腓骨筋要素と、短腓骨筋要素と、長母指屈筋要素と、長指屈筋要素と、後脛骨筋要素と、アキレス腱要素とを含むものであってもよく、前脛骨筋要素と、長指伸筋要素と、長母指伸筋要素とを含むものであってもよく、長腓骨筋要素と、短腓骨筋要素と、長指伸筋要素と、第3腓骨筋要素とを含むものであってもよく、後脛骨筋要素と、長母指屈筋要素と、長指屈筋要素と、前脛骨筋要素と、アキレス腱要素とを含むものであってもよい。
【0024】
上記上肢有限要素モデルは、浅指屈筋要素と、深指屈筋要素と、長母指屈筋要素とを含むものであってもよい。
【0025】
【発明の実施の形態】
本実施の形態の人体装着物品の設計支援装置は、有限要素法を用い、野球、ゴルフ、サッカー等のスポーツ用シューズ、ウォーキング用シューズ、野球またはソフトボール用グラブ、バッティング用手袋、ゴルフ用手袋等の人体装着物品を装着して動作を行った時に、人体の各部にかかる応力を算出することにより人体装着物品の設計を支援するものである。
【0026】
本実施の形態の設計支援装置は、図1に示すように、キーボード等の入力装置1と、コンピュータ等で構成される演算部2と、表示装置3と、記憶装置4とを備える。
【0027】
入力装置1は、演算部2と接続され、解析に必要な条件を演算部に入力する。演算部2は、後述する下肢有限要素モデルあるいは上肢有限要素モデルと人体装着物品有限要素モデルとを作成し、該モデルのアセンブリを行い、入力された各種条件およびデータに基づいて所定のプログラムに従って応力解析を実行し、解析結果を出力する。表示装置3は、演算部2と接続され、演算部2による解析結果を表示する。記憶装置4は、演算部2と接続され、解析に必要なデータを格納する。
【0028】
本実施の形態では、下肢有限要素モデルあるいは上肢有限要素モデルと、人体装着物品有限要素モデルとを用いて種々の解析を行うことを重要な特徴とする。
【0029】
本実施の形態の下肢有限要素モデルは、骨格要素として、足根骨要素と、中足骨要素と、種子骨要素と、指骨要素と、腓骨要素と、脛骨要素と、膝蓋骨要素と、大腿骨要素と、骨盤要素とを含み、さらに関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素と含む。
【0030】
下肢の踵衝突解析を行なう場合には、下肢有限要素モデルは、4個の足根骨要素と、5個の中足骨要素と、5個の指骨要素と、腓骨要素と、脛骨要素と、膝蓋骨要素と、大腿骨要素と、骨盤要素と、関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素と含むことが好ましい。
【0031】
下肢の安定性解析を行なう場合には、下肢有限要素モデルは、1個の足根骨要素と、5個の中足骨要素と、5個の指骨要素と、腓骨要素と、脛骨要素と、膝蓋骨要素と、大腿骨要素と、骨盤要素と、関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素と含むことが好ましい。
【0032】
下肢の屈曲性解析を行なう場合には、下肢有限要素モデルは、2個の足根骨要素と、5個の中足骨要素と、5個の指骨要素と、腓骨要素と、脛骨要素と、膝蓋骨要素と、大腿骨要素と、骨盤要素と、関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素と含むことが好ましい。
【0033】
歩行や走行等の連続的な能動動作についての解析を行なう場合には、下肢有限要素モデルは、7個の足根骨要素(距骨要素、踵骨要素、舟状骨要素、立方骨要素、3個の楔状骨要素)と、中足骨要素(5個の中足骨要素)と、種子骨要素と、指骨要素(5個の基節骨要素、4個の中節骨要素、5個の末節骨要素)の計27個の骨要素と、腓骨要素と、脛骨要素と、膝蓋骨要素と、大腿骨要素と、骨盤要素と、関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素とを含むことが好ましい。
【0034】
下肢有限要素モデルを用いて歩行や走行等の能動的な運動動作を再現するには、足の指を曲げる底屈動作、足を反らせる背屈動作、足が内側に傾く回内動作、足が外側に傾く回外動作の再現が必要となる。底屈動作は、下腿三頭筋、長腓骨筋、短腓骨筋、長母指屈筋、長指屈筋、後脛骨筋を使って行うことができ、背屈動作は、前脛骨筋、長指伸筋、長母指伸筋を使って行うことができ、回内動作は、長腓骨筋と、短腓骨筋と、長指伸筋、第3腓骨筋を使って行うことができ、回外動作は、下腿三頭筋、後脛骨筋、長母指屈筋、長指屈筋、前脛骨筋を使って行うことができる。
【0035】
そこで、下肢有限要素モデルに次のような筋要素を付加することで、上記の各動作の再現が可能となる。たとえば底屈動作を再現する場合、下肢有限要素モデルに、長腓骨筋要素と、短腓骨筋要素と、長母指屈筋要素と、長指屈筋要素と、後脛骨筋要素と、アキレス腱要素とを付加すればよい。背屈動作を再現する場合、下肢有限要素モデルに、前脛骨筋要素と、長指伸筋要素と、長母指伸筋要素とを付加すればよい。回内動作を再現する場合、下肢有限要素モデルに、長腓骨筋要素と、短腓骨筋要素と、長指伸筋要素と、第3腓骨筋要素とを付加すればよい。回外動作を再現する場合、後脛骨筋要素と、長母指屈筋要素と、長指屈筋要素と、前脛骨筋要素と、アキレス腱要素とを付加すればよい。
【0036】
他方、本実施の形態の上肢有限要素モデルは、手根骨要素と、中手骨要素と、種子骨要素と、指骨要素と、尺骨要素と、橈骨要素と、上腕骨要素と、関節要素と、筋要素と、軟組織要素と含むことが好ましい。
【0037】
捕球動作解析を行なう場合には、上肢有限要素モデルは、1個の手根骨要素と、5個の中手骨要素と、14個の指骨要素と、尺骨要素と、橈骨要素と、上腕骨要素と、関節要素と、筋要素と、軟組織要素と含むことが好ましい。
【0038】
より好ましくは、上肢有限要素モデルは、骨格要素として、8個の手根骨要素(月状骨要素、三角骨要素、豆状骨要素、有鈎骨要素、舟状骨要素、有頭骨要素、大菱形骨要素、小菱形骨要素)と、中手骨要素(5個の中手骨要素)と、種子骨要素と、指骨要素(5個の基節骨、4個の中節骨、5個の末節骨)の計28個の骨要素と、尺骨要素と、橈骨要素と、上腕骨要素とを有し、さらに、関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素とを有する。
【0039】
手で物を掴んだり離したりする動作は、手の掌屈動作と背屈動作との組合せで行なえる。掌屈動作は、浅指屈筋、深指屈筋、尺側手根屈筋、長母指屈筋、橈側手根屈筋、長母指外転筋等の諸筋を使って行なうことができ、背屈動作は、指伸筋、短橈側手根屈筋、長橈側手根屈筋、示指伸筋、小指伸筋等の諸筋を使って行なうことができる。
【0040】
上肢有限要素モデルを用いて捕球動作のような能動的な運動動作を再現するには、対象物を掴む掌屈動作の再現が必要となる。掌屈動作において特に重要な筋肉は、長母指屈筋、浅指屈筋および深指屈筋である。そこで、上肢有限要素モデルに浅指屈筋要素と、深指屈筋要素と、長母指屈筋要素等の筋要素を付加することで、掌屈動作の再現が可能となる。
【0041】
上記骨格要素は、ソリッド要素で構成される。それは、骨は中実なので、シェル要素やビーム要素でモデル化できないからである。ソリッド要素の中でも8節点ソリッド要素を使用することが好ましい。8節点ソリッド要素は、8つの節点を有する固体要素である。この8節点ソリッド要素の材料タイプは等方性材料である。下肢有限要素モデルでは、8節点ソリッド要素は、歩行あるいは走行の進行方向に対して垂直な面を持つように配置されることが好ましい。
【0042】
ソリッド要素の一例としては、たとえば4面体ソリッド要素や6面体ソリッド要素等を挙げることができる。4面体ソリッド要素は自動作成できるが、解析精度が相対的に良くない。それに対し、6面体ソリッド要素の場合、自動作成は困難であるが、解析精度が相対的に良い。計算時間については、同じメッシュ数であれば、6面体ソリッド要素を用いた方が速くなる。精度についても6面体ソリッド要素を用いた方が高くなる。したがって、骨格要素には6面体ソリッド要素を用いることが好ましい。
【0043】
メッシュサイズについては、計算時間を考慮して決定し、下記の全ての要素について、1mm以上5mm以下程度が好ましい。これ以上になると、計算時間が膨大になり、実際の設計に使用するのが困難になるからである。
【0044】
材料特性としては、解剖学的にそれぞれの骨が独立に存在し、骨要素間は関節要素(ジョイント要素)で結合される。骨の材料特性としては、等方性材料と異方性材料の両方を使い分ける。詳細解析の場合は異方性材料を選択し、簡易解析の場合は等方性材料を選択する。
【0045】
次に、関節要素について説明する。関節要素には、ソリッド要素、シェル要素、ビーム要素、シェル要素とビーム要素の組合せ要素、ジョイント要素を使用可能である。
【0046】
関節要素は、骨間に力を伝達することを最大の目的としてモデル化を行う。ソリッド要素を用いると、変形が大きい場合には発散する可能性が高くなる。したがって、ソリッド要素は変形の小さい箇所に使用することが望ましい。シェル要素を用いる場合には、実際の物性値よりも高い値を使った方が高精度な解析を行える。ビーム要素単体で使用すると、力の伝達が1点となり、うまく力が伝達されない場合が生じるので、シェル要素等の他の要素とともに使用することが望ましい。ジョイント要素は、剛体間の拘束を決めるためのものであるので、他の要素と組合せて使用し、ジョイント要素を単独で使用しないことが望ましい。このジョイント要素は、回転および並進運動を制御するために使用可能である。
【0047】
手や足の曲げ動作を再現するために、関節要素の分割数は複数とすることが好ましい。それにより、手や足の曲げ動作を高精度に再現することができる。関節要素の分割数は、骨要素間の距離とメッシュサイズによって決まる。
【0048】
関節要素の分割数は、より好ましくは、3分割以上である。ただし、あまりに分割数が多いと計算が膨大になる等の不具合が生じる可能性があるので、分割数は5分割以下であることが好ましい。
【0049】
下肢有限要素モデルでは、中足骨要素と指骨要素とを結合する中足指節関節要素を、ビーム要素とすることが好ましい。このとき、ビーム要素は、結合面の中心付近に位置していることが好ましい。しかし、中足指節関節要素以外の関節要素は、8節点ソリッド要素で構成する。この場合、8節点ソリッド要素は、各骨要素の結合面と同一面を有する。
【0050】
次に、筋要素、腱要素および支帯要素について説明する。筋や腱は断面形状がそれぞれ異なるため、ソリッド要素で作成すると修正時にモデル形状を変更しなければならなくなる。それに対し、シェル要素やビーム要素は、断面特性を入力できるので、モデルの修正が容易である。したがって、筋要素、腱要素および支帯要素としては、シェル要素、ビーム要素を使用することが好ましい。シェル要素には異方性材料を使用し、ビーム要素には等方性材料を使用することが好ましい。なお、メッシュサイズについての考え方は、骨要素の場合と同様である。
【0051】
筋や腱は一軸方向にしか作用しないので、材料特性として0度方向の引張弾性率と、90度方向の引張弾性率の異なる異方性材料を使用することが好ましい。また、90度方向の引張弾性率は、0度方向の引張弾性率の1/10以下とすることが好ましい。
【0052】
次に、筋肉や脂肪等に対応する軟組織要素について説明する。軟組織要素には、ソリッド要素を使用可能である。軟組織がないと、たとえばシューズと足の接触が点接触となり、現実と異なるものとなる。そこで、シューズと足とが複数点での接触、線接触あるいは面接触できるように軟組織要素を下肢有限要素モデルに含めることとしている。下肢有限要素モデルでは、たとえば、踵部と前足部の2箇所に軟組織要素を設ければよい。
【0053】
軟組織要素の分割数については、圧縮の現象を再現するため、最低でも2分割することが必要である。最小メッシュサイズ(1mm)を考慮すると、軟組織要素の分割数は18以下程度である。たとえば、踵部軟組織要素の分割数を2分割以上17分割以下とし、前足部軟組織要素の分割数を2分割以上17分割以下とすればよい。
【0054】
他方、人体装着物品有限要素モデルは、8節点ソリッド要素、4節点ソリッド要素、3節点シェル要素からなる群から選ばれる少なくとも1種の要素で構成することができる。
【0055】
次に、本発明の設計手法について説明する。なお、以下の説明では、足に装着するシューズの設計手法について説明するが、同様の手法をグラブ等の手に装着する物品についても適用できる。
【0056】
図2に示すように、まず、記憶装置4に記憶されているデータを用いて、演算部2において、シューズCAD(Computer Aided Design)モデルを作成し、8節点ソリッド要素と4節点シェル要素とを用いてシューズ用有限要素モデルを作成する。CADソフトとしては、Think Design(think3 inc.)を用いることができ、メッシュ生成ソフトとしては、Hyper Mesh(Altair Engineering inc.)、MSC.Patran(MSC Software inc.)を用いることができる。他方、演算部2で、上記のような下肢有限要素モデルを作成する。
【0057】
次に、シューズ用有限要素モデルと下肢有限要素モデルの位置決めを行い、これらのアセンブリを行う。そして、入力装置1により、演算部2に境界条件を入力する。具体的には、シューズ用有限要素モデルの材料物性と、下肢有限要素モデルの動きとを入力する。
【0058】
次に、演算部2において解析を行う。解析には、陽解法ソフトウェアPAMCRASH(PAM SYSTEM INTERNATIONAL inc.)を用いる。それにより、所定の動作時に足の各部位に生じる応力等を算出する。そして、表示装置3により、足の各部位の応力値を表示する。
【0059】
以上の解析を行うことにより、上記のモデル化されたシューズと同タイプのシューズを履いて人が歩行や走行した場合に、人の足の各部にかかる負担を算出することができる。この結果に基づいてシューズの設計変更が必要であれば設計変更を行う。
【0060】
そして、再び同一条件で同一試験を行う。このとき、有限要素モデルを使って試験を行うので、実際に人がシューズを装着して試験を行う場合と比較して、正確に試験を再現することができる。また、人がシューズを装着した場合に測定できない事項についても解析することができる。したがって、上記設計変更の効果を確実かつ高精度に知ることができる。このように設計変更と試験を繰り返しながら、シューズの最適形状や最適な材質を選択することができ、これを参考にしてシューズの設計を行うことができる。
【0061】
【実施例】
以下、図3〜図24を用いて、本発明の実施例について説明する。図3〜図5は、本実施例の下肢有限要素モデル5の一部を示す斜視図である。
【0062】
図3〜図5に示すように、ソリッド要素で構成される多数の骨格要素6と、ソリッド要素あるいはビーム要素で構成され、骨格要素6間に配置される関節要素7と、シェル要素あるいはビーム要素で構成される筋要素8、腱要素9および支帯要素10とを備える。
【0063】
より詳しくは、図3〜図5に示すモデルは、骨格要素6として、距骨要素、踵骨要素、舟状骨要素、立方骨要素、第1から第3楔状骨要素、5個の中足骨要素、種子骨要素、5個の基節骨要素、4個の中節骨要素、5個の末節骨要素、腓骨要素、脛骨要素、膝蓋骨要素、大腿骨要素、骨盤要素を有する。
【0064】
そして、たとえば大腿骨要素の質量が体重の10.1%、腓骨要素と脛骨要素の質量が体重の4.1%、距骨要素、踵骨要素、舟状骨要素、立方骨要素、第1から第3楔状骨要素、5個の中足骨要素、種子骨要素、5個の基節骨要素、4個の中節骨要素、5個の末節骨要素の質量が体重の1.3%、骨盤要素の質量が体重の84.5%となるように質量負荷を行なう。このように各骨格要素6の体重に対する質量の割合を適切に設定することによって、より現実に近い解析を行なえる。
【0065】
また、上記モデルは、筋要素8として、短腓骨筋要素80、長腓骨筋要素81、第3腓骨筋要素82、長指伸筋要素83、短指伸筋要素84、長母指伸筋要素85、前脛骨筋要素86、長指屈筋要素87、長母指屈筋要素88、後脛骨筋要素を有し、腱要素9としてアキレス腱要素90を有し、支帯要素10として、上腓骨筋支帯要素100、下腓骨筋支帯要素101、上伸筋支帯要素102、屈筋支帯要素103、下伸筋支帯要素を有し、靭帯要素として、前距腓靭帯要素110、踵腓靭帯要素111、脛舟靭帯要素112、前脛距靭帯要素113、脛踵靭帯要素114、後脛腓靭帯要素115、後距腓靭帯要素116、前脛腓靭帯要素、後脛距靭帯要素を有する。
【0066】
図3〜図5に示すように、本実施例の下肢有限要素モデル5は、人の足の骨格のみならず、関節、筋、腱、支帯、靭帯までも忠実に再現していることがわかる。
【0067】
図6に示すように、骨格要素6間の関節要素7を、必要に応じてビーム要素で構成してもよく、またソリッド要素で構成してもよい。図6の例では、中足骨要素と基節骨要素との間にビーム要素を用い、それ以外のたとえば中足骨要素と楔状骨要素との間等にソリッド要素を用いている。
【0068】
図7に、関節要素7としてビーム要素(ジョイント要素)を用いた箇所の拡大図を示す。図7に示すように、骨格要素の端面の中央部を連結するようにビーム要素を配置する。図8に、関節要素7としてソリッド要素を用いた箇所の拡大図を示す。図8に示す例では、関節要素7を4分割している。それにより、曲げ動作を高精度に再現することができる。
【0069】
図9に示すように、本発明の下肢有限要素モデル5は、軟組織要素11を有する。図9の例では、軟組織要素11は、踵骨要素の下と、前足部要素(末節骨要素から種子骨要素下近傍までの部分)の下とに設けられている。踵骨要素下の軟組織要素11の厚みはたとえば17.8mmであり、該軟組織要素11は4分割される。また、前足部要素下の軟組織要素11の厚みはたとえば5mmであり、2分割される。なお、踵骨要素下の軟組織要素11は、最大で18分割可能であり、前足部要素下の軟組織要素11は、最大で5分割可能である。
【0070】
図10〜図14に、本実施例の下肢有限要素モデル5とシューズ有限要素モデル12をアセンブリした状態を示す。なお、図11〜図14において、(a)は下肢有限要素モデル5とシューズ有限要素モデル12とを組合せた状態の図であり、(b)は下肢有限要素モデル5のみを抽出した図である。
【0071】
図11(a),(b)、図13(a),(b)および図14(a),(b)は、回内動作を再現しようとしたものであり、回内動作が行なわれる直前の状態を再現している。このように回内動作を再現することにより、歩行あるいは走行時の安定性解析を行える。
【0072】
なお、図11(a)の例では、横方向から見た場合の鉛直方向に対する腓骨要素および脛骨要素の傾斜角度θ1を12度に設定し、図13(a)の例では、後方から見た場合の鉛直方向に対する腓骨要素および脛骨要素の傾斜角度θ3を7度に設定している。
図12(a),(b)は、踵衝突状態を再現したものであり、シューズのクッション性や人の踵にかかる衝撃解析を行える。なお、図12(a)の例では、シューズ有限要素モデル12の底面と地面とのなす角度(背屈角度)θ2を、18度に設定している。
【0073】
図15と図16に、本実施例において使用するシューズ有限要素モデル12の側面図を背面図を示す。図15と図16に示すように、シューズ有限要素モデル12は、4節点ソリッド要素と3節点シェル要素とを用いて作成する。
【0074】
次に、図17〜図19を用いて、解析結果について説明する。図17は、3.6m/s(約13km/h)で人間が走った場合に、踵が地面に衝突した場合の足の各部にかかる応力を調べたものである。解析の際には、たとえば下肢有限要素モデル5の全節点に3.6m/sを入力し、筋要素や腱要素に対して張力を与えればよい。それにより、図17に示すような解析を行なえる。図17において、色が濃くなっている箇所に多くの負荷がかかっている。
【0075】
この結果をもとにして、たとえばシューズのクッション性を向上させるためにどの部分をどのような材料や形状にするかを検討する。そして、たとえばシューズ有限要素モデル12の一部を適切な材料あるいは形状に変更し、再び同一条件で同一の試験を行う。このとき、外側の踝の加速度を測ることで、シューズのクッション性を評価することができる。
【0076】
このようにシューズ有限要素モデル12の構成部分の材質等を適切に変更しながら同一条件で同一試験を行うことができ、確実にシューズのクッション性を向上することができる。その結果、走行時等における足への負担を軽減できるようにシューズを設計することが可能となる。
【0077】
図18は、人間の歩行あるいは走行時に足が内側に倒れ込む回内動作について解析したものである。図18において、色が濃くなっている箇所に多くの負荷がかかっている。
【0078】
回内動作の程度を知るには、下肢有限要素モデル5における踵骨要素と地面との角度を測ればよい。そして、上述の場合と同様にシューズ有限要素モデル12の各部の材質等を適切に調節しながら試験を繰り返し、シューズの各部の最適な材質等を選択すればよい。それにより、過度の回内動作を防止可能となるようにシューズを設計することができる。
【0079】
ランニング動作時には、体重の2〜3倍の力が足に加わると言われている。そこで、ランニング動作時に足に加わると考えられる力を骨盤要素の重心位置に対して与え、筋要素や腱要素に対して所定の張力を与える。一例として、足に体重(たとえば60kg)の2倍の力(1.2kN)を加える。
【0080】
図19は、シューズ内での足指の屈曲解析を行ったものである。屈曲動作を再現する際には、実験により得られた歩行屈曲時の三次元位置座標データを、踵骨要素の重心位置に対し与え、筋要素や腱要素に対して所定の張力を与える。図19において、色が濃くなっている箇所に多くの負荷がかかっている。
【0081】
本屈曲解析では、下肢有限要素モデル5における中足骨要素にかかる応力を算出する。この場合にも、シューズ有限要素モデル12の各部の材質等を適切に調節しながら試験を繰り返し、シューズの各部の最適な材質等を選択すればよい。それにより、過度の回内動作を防止することが可能となるようにシューズを設計することができる。
【0082】
次に、図20〜図24を用いて、本発明の上肢有限要素モデル13について説明する。
【0083】
図20〜図23に示すように、本実施例の上肢有限要素モデル13も、ソリッド要素で構成される骨格要素6と、ソリッド要素あるいはビーム要素で構成され骨格要素6間に配置される関節要素7と、シェル要素あるいはビーム要素で構成される筋要素、腱要素(図示せず)および支帯要素(図示せず)とを備える。
【0084】
掌屈動作において特に重要な筋肉は、上述のように長母指屈筋、浅指屈筋および深指屈筋である。そこで、本実施例では、これらの筋肉を再現する。具体的には、図22に示すように、筋要素として、長母指屈筋要素89、浅指屈筋要素および深指屈筋要素91を再現するとともに関節包15をも再現している。なお、骨格要素6としては、図21に示すように、橈骨要素60、尺骨要素61、手根骨要素62、中手骨要素63、指骨要素64および上腕骨要素を再現している。なお、各要素のメッシュサイズは1mm〜3mmである。
【0085】
図20〜図23に示すように、本実施例の上肢有限要素モデル13の場合も、人の手の骨格や関節を忠実に再現していることがわかる。このような上肢有限要素モデル13を用いることにより、たとえば人の手にグラブ等の物品を装着して所定の動作を行った際に、人の手や腕に加わる衝撃等に関する種々の解析を行うことができる。
【0086】
たとえば、図24に示すように、グラブ有限要素モデル14と上肢有限要素モデル13を用いて所定の解析を行うことにより、上述の下肢有限要素モデル5の場合と同様に、人の手や腕にグラブを装着して捕球等の動作を行った場合に、人の手や腕に過度の負担がかからないようにグラブを設計することができる。
【0087】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、今回開示した実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。
【0088】
【発明の効果】
本発明によれば、下肢あるいは上肢に物品を装着して所定の動作を行った場合に、下肢あるいは上肢の各部にかかる応力を従来例よりも格段に正確に算出することができるので、この結果を利用して人体に過度の負担がかからないように各種の人体装着物品を設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1つの実施の形態における設計支援装置の概略構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の1つの実施の形態における設計支援装置における処理を説明するための流れ図である。
【図3】本発明の1つの実施例における下肢有限要素モデルの一部を小指側から見た斜視図である。
【図4】本発明の1つの実施例における下肢有限要素モデルの一部を踵側から見た斜視図である。
【図5】本発明の1つの実施例における下肢有限要素モデルの一部を親指側から見た斜視図である。
【図6】本発明の1つの実施例における下肢有限要素モデルの一部を示す平面図である。
【図7】本発明の1つの実施例における下肢有限要素モデルの関節部分の一例の拡大図である。
【図8】本発明の1つの実施例における下肢有限要素モデルの関節部分の他の例の拡大図である。
【図9】本発明の1つの実施例における下肢有限要素モデルの軟組織要素を示す斜視図である。
【図10】本発明の1つの実施例における下肢有限要素モデルとシューズ有限要素モデルとをアセンブリした状態を示す拡大斜視図である。
【図11】(a)は本発明の1つの実施例における下肢有限要素モデルとシューズ有限要素モデルとをアセンブリしてある動作を行なっている状態を示す側面図である。
(b)は、(a)からシューズ有限要素モデルを除去した状態を示す図である。
【図12】(a)は本発明の1つの実施例における下肢有限要素モデルとシューズ有限要素モデルとをアセンブリしてある動作を行なっている状態を示す側面図である。
(b)は、(a)からシューズ有限要素モデルを除去した状態を示す図である。
【図13】(a)は本発明の1つの実施例における下肢有限要素モデルとシューズ有限要素モデルとをアセンブリしてある動作を行なっている状態を示す背面図である。
(b)は、(a)からシューズ有限要素モデルを除去した状態を示す図である。
【図14】(a)は本発明の1つの実施例における下肢有限要素モデルとシューズ有限要素モデルとをアセンブリしてある動作を行なっている状態を示す斜視図である。
(b)は、(a)からシューズ有限要素モデルを除去した状態を示す図である。
【図15】本発明の1つの実施例におけるシューズ有限要素モデルの側面図である。
【図16】本発明の1つの実施例におけるシューズ有限要素モデルの背面図である。
【図17】本発明の1つの実施例における下肢有限要素モデルとシューズ有限要素モデルとを用いて走行動作を行った場合の解析結果の一例を示す図である。
【図18】本発明の1つの実施例における下肢有限要素モデルとシューズ有限要素モデルとを用いて走行動作を行った場合の解析結果の他の例を示す図である。
【図19】本発明の1つの実施例における下肢有限要素モデルとシューズ有限要素モデルとを用いて歩行動作を行った場合の解析結果の一例を示す図である。
【図20】本発明の1つの実施例における上肢有限要素モデルの平面図である。
【図21】本発明の1つの実施例における上肢有限要素モデルの部分拡大図である。
【図22】本発明の1つの実施例における上肢有限要素モデルの部分拡大図である。
【図23】本発明の1つの実施例における上肢有限要素モデルの指先部分の拡大図である。
【図24】本発明の1つの実施例における上肢有限要素モデルとグラブ有限要素モデルとをアセンブリした状態を示す図である。
【符号の説明】
1 入力装置、2 演算部(コンピュータ)、3 表示装置、4 記憶装置、5 下肢有限要素モデル、6 骨格要素、7 関節要素、8 筋要素、9 腱要素、10 支帯要素、11 軟組織要素、12 シューズ有限要素モデル、13上肢有限要素モデル、14 グラブ有限要素モデル、15 関節包、60 橈骨要素、61 尺骨要素、62 手根骨要素、63 中手骨要素、64 指骨要素、80 短腓骨筋要素、81 長腓骨筋要素、82 第3腓骨筋要素、83 長指伸筋要素、84 短指伸筋要素、85 長母指伸筋要素、86 前脛骨筋要素、87 長指屈筋要素、88,89長母指屈筋要素、90 アキレス腱要素、91 浅指屈筋要素および深指屈筋要素、100 上腓骨筋支帯要素、101 下腓骨筋支帯要素、102 上伸筋支帯要素、103 屈筋支帯要素、110 前距腓靭帯要素、111 踵腓靭帯要素、112 脛舟靭帯要素、113 前脛距靭帯要素、114 脛踵靭帯要素、115 後脛腓靭帯要素、116 後距腓靭帯要素。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a design support device used for designing a human body-worn article to be mounted on a human body such as shoes or gloves using a finite element method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when designing shoes, for example, a foot skeleton is modeled and used as an analysis model. As an example of this foot skeleton analysis model, including the skeletal elements of the feet and the joint elements connecting them, the skeletal elements are made rigid, and the scaphoid, cubic, and medial, middle, and outer sides that constitute the central part of the tarsus There is an example in which a cuneiform bone is integrated, and is composed of a total of eight elements of a calcaneus, a talus, a mid-tarsal part, and first to fifth metatarsal bones.
[0003]
A technique for simulating and analyzing the behavior of a human body using a human body model on a computer is disclosed in, for example, JP-A-2002-149719.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-149719 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When a person walks or runs while wearing shoes, for example, an excessive load is applied around the metatarsophalangeal joint of the first and second fingers, and if walking or running for a long time continues, one of the causes of fatigue fractures It may be. In addition, pain in the feet can cause physical and mental stress without directly leading to disability.
[0006]
Therefore, it is desired to measure the force generated in the foot bone when a person walks or runs. However, since the above-mentioned conventional foot skeleton analysis model is created by considerably simplifying the actual foot skeleton, the force generated in the foot bones and joints when a person actually walks or runs is measured. It is difficult. Further, it is impossible to measure a force generated in a muscle, a tendon, or the like.
[0007]
Also, in the human body model described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-149719, modeling of a part of muscles, tendons, ligaments, and ligaments necessary for performing an active motion such as walking or running is omitted. However, it is difficult to reproduce active operation. Therefore, it is difficult to calculate a force acting on a muscle, a tendon, a ligament, a ligament, or the like during the active operation with high accuracy.
[0008]
Therefore, the present invention calculates the stress and the like generated in the lower limb and upper limb when a person wears a human body wearing article such as shoes or gloves and performs active actions such as walking, running, and catching a ball with high accuracy. It is an object of the present invention to provide a design support apparatus capable of performing the above.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The human body wearing article design support device according to the present invention uses a finite element method, and calculates the stress applied to the upper limb or lower limb when the human body wearing article is mounted on the upper limb or lower limb of the human body and performs an operation. A design support device that supports the design of an article, using a lower limb finite element model that models a lower limb or an upper limb finite element model that models an upper limb, and a human body wearing article finite element model that models a human body wearing article. And a calculating unit for calculating the stress.
[0010]
The lower limb finite element model and the upper limb finite element model of the present invention reproduce the lower limb and the upper limb much more accurately than the conventional example. , Tendon elements, ligament elements, soft tissue elements, and the like. By calculating the stress using the lower limb finite element model or the upper limb finite element model and the human body wearing article finite element model, the stress applied to each part of the lower limb or the upper limb is calculated much more accurately than the conventional example. be able to.
[0011]
The lower limb finite element model is preferably a tarsal bone element, a metatarsal element, a seed bone element, a phalange element, a fibula element, a tibia element, a patella element, a femur element, and a pelvis element. , A joint element, a muscle element, a tendon element, a brace element, and a soft tissue element.
[0012]
When performing the heel collision analysis of the lower limb, the lower limb finite element model includes four tarsal bone elements, five metatarsal elements, five phalange elements, a fibula element, a tibia element, Preferably, it includes a patella element, a femoral element, a pelvic element, a joint element, a muscular element, a tendon element, a brace element, and a soft tissue element.
[0013]
When performing stability analysis of the lower limb, the lower limb finite element model includes one tarsal bone element, five metatarsal elements, five phalange elements, a fibula element, a tibia element, Preferably, it includes a patella element, a femoral element, a pelvic element, a joint element, a muscular element, a tendon element, a brace element, and a soft tissue element.
[0014]
When performing the lower limb flexibility analysis, the lower limb finite element model includes two tarsal bone elements, five metatarsal elements, five phalange elements, a fibula element, a tibia element, Preferably, it includes a patella element, a femoral element, a pelvic element, a joint element, a muscular element, a tendon element, a brace element, and a soft tissue element.
[0015]
When performing an analysis of continuous active movement such as walking or running, the lower limb finite element model includes seven tarsal bone elements, five metatarsal bone elements, 14 phalange elements, Preferably, it includes a fibula component, a tibial component, a patella component, a femoral component, a pelvic component, a joint component, a muscular component, a tendon component, a brace component, and a soft tissue component.
[0016]
The upper limb finite element model includes a carpal element, a metacarpal element, a seed bone element, a phalange element, an ulna element, a radial element, a humeral element, a joint element, a muscle element, and a soft tissue. It is preferable to include the element.
[0017]
When performing a ball-catching motion analysis, the upper limb finite element model includes one carpal bone element, five metacarpal bone elements, 14 phalange elements, an ulnar element, a radial element, It preferably includes a humeral element, a joint element, a muscular element, and a soft tissue element. More preferably, the upper limb finite element model includes eight carpal elements, five metacarpal elements, fourteen phalange elements, an ulnar element, a radial element, a humeral element, and a joint element. , Muscle elements, and soft tissue elements.
[0018]
It is preferable that the lower limb finite element model and the upper limb finite element model include a skeletal element, and the skeletal element be constituted by an 8-node solid element. Further, the lower limb finite element model and the upper limb finite element model include a muscle element, a tendon element and a brace element, and it is preferable that the muscle element, the tendon element and the brace element are configured by a shell element or a beam element. At this time, it is preferable that the shell element is made of an anisotropic material and the beam element is made of an isotropic material.
[0019]
The human body wearing article finite element model includes a shoe model, and the lower limb finite element model includes a soft tissue element. In this case, it is preferable to arrange soft tissue elements at a plurality of nodes between the lower limb finite element model and the shoe model. The soft tissue element includes, for example, a heel soft tissue element and a forefoot soft tissue element. Preferably, the number of divisions of the heel soft tissue element is 2 or more and 17 or less, and the number of divisions of the forefoot soft tissue element is 2 or more and 5 or less.
[0020]
It is preferable that the human body wearing article finite element model is composed of at least one element selected from the group consisting of an 8-node solid element, a 4-node solid element, and a 3-node shell element.
[0021]
Preferably, the lower limb finite element model and the upper limb finite element model include a joint element, and the joint element is formed of at least one element selected from the group consisting of a solid element, a shell element, and a beam element. When the joint element is constituted by a solid element, it is preferable that the number of divisions of the joint element be 3 or more and 5 or less.
[0022]
The lower limb finite element model includes a metatarsal element, a phalange element, and a metatarsophalangeal joint element that connects the metatarsal element and the phalange element. In this case, it is preferable that the metatarsophalangeal joint element is constituted by a beam element, and the beam element is disposed near the center of the joint surface between the metatarsal element and the phalange element.
[0023]
The lower limb finite element model may include a long peroneus muscle element, a short peroneus muscle element, a flexor pollicis longus element, a long flexor flexor element, a posterior tibialis muscle element, and an Achilles tendon element, It may include a tibialis anterior element, a extensor digitor extensor element, and a extensor pollicis longus element, and a long peroneus muscular element, a short peroneus muscular element, a long finger extensor element, and a third extensor element. It may include a peroneal muscle element, or may include a tibialis posterior element, a flexor pollicis longus element, a flexor longis flexor element, a tibialis anterior muscle element, and an Achilles tendon element.
[0024]
The upper limb finite element model may include a superficial finger flexor muscle element, a deep finger flexor muscle element, and a long thumb flexor muscle element.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The human body wearing article design support apparatus according to the present embodiment uses a finite element method, and sports shoes such as baseball, golf, and soccer, walking shoes, baseball or softball gloves, batting gloves, golf gloves, and the like. The design of a human-worn article is supported by calculating the stress applied to each part of the human body when the user wears the human-worn article.
[0026]
As shown in FIG. 1, the design support device of the present embodiment includes an input device 1 such as a keyboard, an operation unit 2 including a computer or the like, a display device 3, and a storage device 4.
[0027]
The input device 1 is connected to the operation unit 2 and inputs conditions necessary for analysis to the operation unit. The calculation unit 2 creates a lower limb finite element model or an upper limb finite element model and a human body wearing article finite element model, assembles the model, and performs stress analysis according to a predetermined program based on various conditions and data input. Execute the analysis and output the analysis result. The display device 3 is connected to the calculation unit 2 and displays an analysis result by the calculation unit 2. The storage device 4 is connected to the arithmetic unit 2 and stores data necessary for analysis.
[0028]
An important feature of the present embodiment is that various analyzes are performed using a lower limb finite element model or an upper limb finite element model and a human body wearing article finite element model.
[0029]
The lower limb finite element model according to the present embodiment includes, as skeleton elements, a tarsal bone element, a metatarsal bone element, a seed bone element, a phalangeal element, a fibula element, a tibia element, a patella element, and a femur. Element, a pelvic element, and further include a joint element, a muscular element, a tendon element, a brace element, and a soft tissue element.
[0030]
When performing the heel collision analysis of the lower limb, the lower limb finite element model includes four tarsal bone elements, five metatarsal elements, five phalange elements, a fibula element, a tibia element, Preferably, it includes a patella element, a femoral element, a pelvic element, a joint element, a muscular element, a tendon element, a brace element, and a soft tissue element.
[0031]
When performing stability analysis of the lower limb, the lower limb finite element model includes one tarsal bone element, five metatarsal elements, five phalange elements, a fibula element, a tibia element, Preferably, it includes a patella element, a femoral element, a pelvic element, a joint element, a muscular element, a tendon element, a brace element, and a soft tissue element.
[0032]
When performing the lower limb flexibility analysis, the lower limb finite element model includes two tarsal bone elements, five metatarsal elements, five phalange elements, a fibula element, a tibia element, Preferably, it includes a patella element, a femoral element, a pelvic element, a joint element, a muscular element, a tendon element, a brace element, and a soft tissue element.
[0033]
When analyzing continuous active movements such as walking and running, the lower limb finite element model consists of seven tarsal bone elements (talar, calcaneal, scaphoidal, cubic, 3 Wedge-shaped elements), metatarsal elements (5 metatarsal elements), seed bone elements, phalangeal elements (5 proximal phalanx elements, 4 metatarsal elements, 5 Distal bone elements), a total of 27 bone elements, a fibula element, a tibia element, a patella element, a femur element, a pelvic element, a joint element, a muscle element, a tendon element, a brace element, And a soft tissue element.
[0034]
Using the lower limb finite element model to reproduce active movements such as walking and running, the plantar flexion of bending the toes, the dorsiflexion of bending the feet, the pronation movement of the feet inward, It is necessary to reproduce the supination motion tilting outward. Plantar flexion can be performed using the triceps surae, peroneus longus, short peroneus, flexor pollicis longus, long flexor flexor, posterior tibialis, and dorsiflexion can be performed using the anterior tibialis, long finger extension. Muscles, extensor pollicis longus, pronation can be performed using the peroneus longus, short peroneus, extensor longus, third peroneus, supination Can be performed using the triceps surae, the tibialis posterior, the flexor pollicis longus, the flexor longis longus, or the tibialis anterior.
[0035]
Therefore, by adding the following muscle elements to the lower limb finite element model, each of the above operations can be reproduced. For example, when reproducing plantar flexion motion, a lower limb finite element model includes a long peroneus muscle element, a short peroneus muscle element, a long flexor thumb element, a long finger flexor element, a tibialis posterior muscle element, and an Achilles tendon element. What is necessary is just to add. When reproducing the dorsiflexion motion, anterior tibial muscle element, extensor long finger element, and extensor long thumb element may be added to the lower limb finite element model. When reproducing the pronation motion, a long peroneus muscle element, a short peroneus muscle element, a long finger extensor element, and a third peroneus muscle element may be added to the lower limb finite element model. When reproducing the supination operation, the posterior tibial muscle element, the flexor pollicis longus element, the flexor longis longus element, the tibialis anterior muscle element, and the Achilles tendon element may be added.
[0036]
On the other hand, the upper limb finite element model of the present embodiment includes a carpal element, a metacarpal element, a seed bone element, a phalange element, an ulna element, a radial element, a humeral element, and a joint element. , A muscle element and a soft tissue element.
[0037]
When performing a ball-catching motion analysis, the upper limb finite element model includes one carpal bone element, five metacarpal bone elements, 14 phalange elements, an ulnar element, a radial element, It preferably includes a humeral element, a joint element, a muscular element, and a soft tissue element.
[0038]
More preferably, the upper limb finite element model includes, as skeletal elements, eight carpal elements (a lunar bone element, a triangular bone element, a bean-shaped bone element, a hooked bone element, a scaphoid bone element, a headed bone element, A large rhombus element, a small rhombus element), a metacarpal element (five metacarpal elements), a seed bone element, and a phalanx element (five proximal phalanges, four middle phalanxes, (End phalanx), a total of 28 bone elements, an ulnar element, a radial element, and a humeral element, and further, a joint element, a muscular element, a tendon element, a ligament element, and a soft tissue. Element.
[0039]
The operation of grasping and separating an object with the hand can be performed by a combination of the palm flexion operation and the dorsiflexion operation of the hand. The palmar flexion can be performed using various muscles such as the superficial digital flexor, the deep digital flexor, the extensor carpi flexor, the flexor pollicis longus, the flexor carpal flexor, the abductor flexor longus, and the dorsiflexion Can be carried out using various muscles such as the extensor digitorum, the flexor carpi radialis, the flexor extensor carpi radialis, the extensor digitorum extensor, the extensor digitorum extensor, etc.
[0040]
In order to reproduce an active movement such as a ball-catching movement using an upper limb finite element model, it is necessary to reproduce a palm flexion movement that grasps an object. The muscles of particular importance in palmar flexion are the flexor pollicis longum, flexor extensor digitorum longus, and flexor extensor digitorum. Therefore, by adding muscle elements such as the superficial finger flexor muscle element, the deep finger flexor muscle element, and the long thumb flexor muscle element to the upper limb finite element model, it becomes possible to reproduce the palmar flexion motion.
[0041]
The skeletal elements are composed of solid elements. This is because bones are solid and cannot be modeled with shell elements or beam elements. It is preferable to use an 8-node solid element among solid elements. An eight-node solid element is a solid element having eight nodes. The material type of this 8-node solid element is an isotropic material. In the lower limb finite element model, the eight-node solid elements are preferably arranged so as to have a plane perpendicular to the traveling direction of walking or running.
[0042]
Examples of solid elements include tetrahedral solid elements and hexahedral solid elements. Although tetrahedral solid elements can be created automatically, their analysis accuracy is relatively poor. On the other hand, in the case of a hexahedral solid element, automatic creation is difficult, but analysis accuracy is relatively good. As for the calculation time, if the number of meshes is the same, the use of hexahedral solid elements is faster. The accuracy is higher when the hexahedral solid elements are used. Therefore, it is preferable to use a hexahedral solid element as the skeleton element.
[0043]
The mesh size is determined in consideration of the calculation time, and is preferably about 1 mm or more and 5 mm or less for all the following elements. If it exceeds this, the calculation time becomes enormous and it becomes difficult to use it for actual design.
[0044]
As the material properties, each bone is anatomically present independently, and the bone elements are connected by a joint element (joint element). As the material properties of the bone, both the isotropic material and the anisotropic material are properly used. An anisotropic material is selected for detailed analysis, and an isotropic material is selected for simple analysis.
[0045]
Next, the joint elements will be described. As the joint element, a solid element, a shell element, a beam element, a combination element of a shell element and a beam element, and a joint element can be used.
[0046]
The joint elements are modeled with a primary purpose of transmitting force between the bones. The use of solid elements increases the possibility of divergence when the deformation is large. Therefore, it is desirable to use a solid element at a location where deformation is small. In the case of using a shell element, it is possible to perform a highly accurate analysis by using a value higher than an actual physical property value. When the beam element is used alone, the force is transmitted at one point, and the force may not be transmitted properly. Therefore, it is desirable to use the beam element together with another element such as a shell element. Since the joint element is for determining the constraint between the rigid bodies, it is desirable to use the joint element in combination with other elements and not to use the joint element alone. This joint element can be used to control rotation and translation.
[0047]
In order to reproduce the bending motion of the hand or foot, it is preferable that the number of divisions of the joint element is plural. Thereby, the bending motion of the hand or foot can be reproduced with high accuracy. The division number of the joint element is determined by the distance between the bone elements and the mesh size.
[0048]
The number of divisions of the joint element is more preferably three or more. However, if the number of divisions is too large, there is a possibility that a problem such as an enormous calculation may occur. Therefore, the number of divisions is preferably 5 or less.
[0049]
In the lower limb finite element model, it is preferable that the metatarsophalangeal joint element connecting the metatarsal element and the phalange element be a beam element. At this time, the beam element is preferably located near the center of the coupling surface. However, the joint elements other than the metatarsophalangeal joint element are composed of 8-node solid elements. In this case, the eight-node solid element has the same plane as the joint plane of each bone element.
[0050]
Next, the muscle element, the tendon element, and the supporting element will be described. Since muscles and tendons have different cross-sectional shapes, if they are made of solid elements, the model shape must be changed at the time of correction. On the other hand, since the shell element and the beam element can input the cross-sectional characteristics, the model can be easily modified. Therefore, it is preferable to use a shell element and a beam element as the muscular element, the tendon element and the supporting element. It is preferable to use an anisotropic material for the shell element and to use an isotropic material for the beam element. The concept of the mesh size is the same as that of the bone element.
[0051]
Since muscles and tendons act only in a uniaxial direction, it is preferable to use anisotropic materials having different tensile elastic moduli in the 0-degree direction and 90-degree direction as material properties. The tensile modulus in the 90-degree direction is preferably 1/10 or less of the tensile modulus in the 0-degree direction.
[0052]
Next, soft tissue elements corresponding to muscle, fat, and the like will be described. As the soft tissue element, a solid element can be used. If there is no soft tissue, for example, the contact between the shoe and the foot becomes a point contact, which is different from reality. Therefore, the soft tissue element is included in the lower limb finite element model so that the shoe and the foot can make contact, line contact, or surface contact at a plurality of points. In the lower limb finite element model, for example, soft tissue elements may be provided at two places, the heel and the forefoot.
[0053]
Regarding the number of divisions of the soft tissue element, it is necessary to divide at least into two in order to reproduce the phenomenon of compression. Considering the minimum mesh size (1 mm), the division number of the soft tissue element is about 18 or less. For example, the number of divisions of the heel soft tissue element may be 2 or more and 17 or less, and the number of divisions of the forefoot soft tissue element may be 2 or more and 17 or less.
[0054]
On the other hand, the human body wearing article finite element model can be composed of at least one element selected from the group consisting of an 8-node solid element, a 4-node solid element, and a 3-node shell element.
[0055]
Next, the design method of the present invention will be described. In the following description, a method of designing a shoe to be worn on a foot will be described, but the same technique can be applied to an article to be worn on a hand such as a grab.
[0056]
As shown in FIG. 2, first, using the data stored in the storage device 4, a shoe CAD (Computer Aided Design) model is created in the arithmetic unit 2, and the 8-node solid element and the 4-node shell element are combined. To create a finite element model for shoes. Think Design (think3 inc.) Can be used as CAD software, and Hyper Mesh (Alter Engineering Inc.), MSC. Patran (MSC Software Inc.) can be used. On the other hand, the arithmetic unit 2 creates the lower limb finite element model as described above.
[0057]
Next, the shoe finite element model and the lower limb finite element model are positioned, and these are assembled. Then, the input device 1 inputs a boundary condition to the calculation unit 2. Specifically, the material properties of the shoe finite element model and the movement of the lower limb finite element model are input.
[0058]
Next, the analysis is performed in the arithmetic unit 2. For analysis, explicit solution software PAMCRASH (PAM SYSTEM INTERNAL INC.) Is used. Thereby, a stress or the like generated in each part of the foot at the time of a predetermined operation is calculated. Then, the stress value of each part of the foot is displayed on the display device 3.
[0059]
By performing the above analysis, when a person walks or runs with shoes of the same type as the modeled shoes described above, it is possible to calculate the load applied to each part of the person's foot. If a shoe design change is required based on this result, the design change is made.
[0060]
Then, the same test is performed again under the same conditions. At this time, since the test is performed using the finite element model, the test can be accurately reproduced as compared with a case where the test is actually performed by a person wearing shoes. Also, it is possible to analyze items that cannot be measured when a person wears shoes. Therefore, the effect of the above-mentioned design change can be surely and accurately known. Thus, the optimum shape and the optimum material of the shoe can be selected while repeating the design change and the test, and the shoe can be designed with reference to this.
[0061]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 5 are perspective views showing a part of the lower limb finite element model 5 of the present embodiment.
[0062]
As shown in FIGS. 3 to 5, a number of skeletal elements 6 composed of solid elements, articulated elements 7 composed of solid elements or beam elements and arranged between the skeletal elements 6, shell elements or beam elements , A tendon element 9 and a brace element 10.
[0063]
More specifically, the model shown in FIGS. 3 to 5 includes, as the skeletal element 6, a talus element, a calcaneal element, a scaphoidal element, a cubic bone element, first to third wedge-shaped elements, and five metatarsal bones. It has an element, a seed bone element, five proximal phalanx elements, four middle phalanx elements, five distal phalanx elements, a fibula element, a tibia element, a patella element, a femoral element, and a pelvic element.
[0064]
For example, the mass of the femoral component is 10.1% of the body weight, the mass of the fibula component and the tibial component is 4.1% of the body weight, the talus component, the calcaneal component, the scaphoid component, the cubic component, and the first component. The mass of the third cuneiform element, five metatarsal elements, seed bone elements, five proximal phalanx elements, four metatarsal elements, and five distal phalanx elements is 1.3% of body weight; Mass loading is performed so that the mass of the pelvic element is 84.5% of the body weight. By appropriately setting the ratio of the mass to the weight of each skeletal element 6 in this manner, a more realistic analysis can be performed.
[0065]
In the above model, the muscle elements 8 include the short peroneus muscle element 80, the long peroneus muscle element 81, the third peroneus muscle element 82, the long finger extensor element 83, the short finger extensor element 84, and the long thumb extensor element. 85, anterior tibialis flexor element 87, flexor pollicis longus element 88, posterior tibialis muscle element, Achilles tendon element 90 as tendon element 9, and superior fibular muscle support as brace element 10 It has a ligament element 100, an inferior peroneal muscle ligament element 101, an upper extensor ligament element 102, a flexor ligament element 103, and a lower extensor ligament element. It has an element 111, a tibial ligament element 112, an anterior tibial ligament element 113, a tibial heel ligament element 114, a posterior tibial ligament element 115, a posterior talofibular ligament element 116, an anterior tibial ligament element, and a posterior shin ligament element.
[0066]
As shown in FIGS. 3 to 5, the lower limb finite element model 5 of the present embodiment faithfully reproduces not only the skeleton of the human foot but also the joints, muscles, tendons, ligaments, and ligaments. Understand.
[0067]
As shown in FIG. 6, the joint element 7 between the skeletal elements 6 may be constituted by a beam element if necessary, or may be constituted by a solid element. In the example of FIG. 6, a beam element is used between the metatarsal element and the proximal phalanx element, and a solid element is used between the metatarsal element and the wedge-shaped element, for example.
[0068]
FIG. 7 shows an enlarged view of a place where a beam element (joint element) is used as the joint element 7. As shown in FIG. 7, the beam elements are arranged so as to connect the central portions of the end faces of the skeleton elements. FIG. 8 shows an enlarged view of a place where a solid element is used as the joint element 7. In the example shown in FIG. 8, the joint element 7 is divided into four parts. Thereby, the bending operation can be reproduced with high accuracy.
[0069]
As shown in FIG. 9, the lower limb finite element model 5 of the present invention has a soft tissue element 11. In the example of FIG. 9, the soft tissue element 11 is provided below the calcaneal element and below the forefoot element (a portion from the distal phalanx element to the vicinity of the bottom of the seed bone element). The thickness of the soft tissue element 11 under the calcaneal element is, for example, 17.8 mm, and the soft tissue element 11 is divided into four. The thickness of the soft tissue element 11 under the forefoot element is, for example, 5 mm, and is divided into two. In addition, the soft tissue element 11 under the calcaneus element can be divided into 18 at the maximum, and the soft tissue element 11 under the forefoot element can be divided into 5 at the maximum.
[0070]
10 to 14 show a state in which the lower limb finite element model 5 and the shoe finite element model 12 of this embodiment are assembled. 11 to 14, (a) is a diagram in which the lower limb finite element model 5 and the shoe finite element model 12 are combined, and (b) is a diagram in which only the lower limb finite element model 5 is extracted. .
[0071]
FIGS. 11 (a) and 11 (b), FIGS. 13 (a) and 13 (b) and FIGS. 14 (a) and 14 (b) are intended to reproduce the pronation operation, and immediately before the pronation operation is performed. State is reproduced. By reproducing the pronation operation in this way, stability analysis during walking or running can be performed.
[0072]
In addition, in the example of FIG. 11A, the inclination angle θ1 of the fibula element and the tibia element with respect to the vertical direction when viewed from the lateral direction is set to 12 degrees, and in the example of FIG. In this case, the inclination angle θ3 of the fibula element and the tibial element with respect to the vertical direction is set to 7 degrees.
FIGS. 12 (a) and 12 (b) reproduce the heel collision state, and can analyze the cushioning properties of shoes and the impact applied to the heel of a person. In the example of FIG. 12A, the angle (dorsiflexion angle) θ2 between the bottom surface of the shoe finite element model 12 and the ground is set to 18 degrees.
[0073]
15 and 16 show side and rear views of the shoe finite element model 12 used in this embodiment. As shown in FIGS. 15 and 16, the shoe finite element model 12 is created using a four-node solid element and a three-node shell element.
[0074]
Next, analysis results will be described with reference to FIGS. FIG. 17 shows the results of examining the stress applied to each part of the foot when the heel hits the ground when a human runs at 3.6 m / s (about 13 km / h). At the time of analysis, for example, 3.6 m / s may be input to all the nodes of the lower limb finite element model 5 to apply tension to the muscle element and the tendon element. Thus, the analysis as shown in FIG. 17 can be performed. In FIG. 17, a large load is applied to a portion where the color is dark.
[0075]
Based on this result, for example, what part and what material and shape are to be studied in order to improve the cushioning properties of the shoe. Then, for example, a part of the shoe finite element model 12 is changed to an appropriate material or shape, and the same test is performed again under the same conditions. At this time, the cushioning property of the shoe can be evaluated by measuring the acceleration of the outer malleolus.
[0076]
In this manner, the same test can be performed under the same conditions while appropriately changing the material and the like of the constituent parts of the shoe finite element model 12, and the cushioning properties of the shoe can be reliably improved. As a result, it is possible to design the shoes so as to reduce the burden on the foot during running or the like.
[0077]
FIG. 18 is an analysis of a pronation motion in which a foot falls down during human walking or running. In FIG. 18, a large load is applied to a portion where the color is dark.
[0078]
In order to know the degree of the pronation, the angle between the calcaneus element and the ground in the lower limb finite element model 5 may be measured. Then, the test may be repeated while appropriately adjusting the material and the like of each part of the shoe finite element model 12 as in the case described above, and the optimum material and the like of each part of the shoe may be selected. Thus, the shoe can be designed so that excessive pronation can be prevented.
[0079]
It is said that during a running operation, a force two to three times the weight is applied to the foot. Therefore, a force considered to be applied to the foot during the running operation is applied to the position of the center of gravity of the pelvic element, and a predetermined tension is applied to the muscle element and the tendon element. As an example, a force (1.2 kN) that is twice the body weight (for example, 60 kg) is applied to the foot.
[0080]
FIG. 19 shows an analysis of toe bending in the shoe. When reproducing the bending motion, three-dimensional position coordinate data at the time of walking bending obtained by an experiment is given to the position of the center of gravity of the calcaneus element, and a predetermined tension is given to the muscle element and the tendon element. In FIG. 19, a large load is applied to a portion where the color is dark.
[0081]
In this bending analysis, the stress applied to the metatarsal element in the lower limb finite element model 5 is calculated. Also in this case, the test may be repeated while appropriately adjusting the material and the like of each part of the shoe finite element model 12, and the optimum material and the like of each part of the shoe may be selected. Thereby, the shoe can be designed so that excessive pronation can be prevented.
[0082]
Next, the upper limb finite element model 13 of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0083]
As shown in FIGS. 20 to 23, the upper limb finite element model 13 of the present embodiment also includes a skeletal element 6 composed of a solid element and a joint element composed of a solid element or a beam element and arranged between the skeletal elements 6. 7 and a muscle element, a tendon element (not shown), and a brace element (not shown) composed of a shell element or a beam element.
[0084]
Muscles that are particularly important in palmar flexion are the flexor pollicis longus, the flexor thumb, and the deep flexor as described above. Therefore, in this embodiment, these muscles are reproduced. Specifically, as shown in FIG. 22, as the muscle elements, the flexor pollicis longus element 89, the shallow finger flexor muscle element, and the deep finger flexor muscle element 91 are reproduced, and the joint capsule 15 is also reproduced. As the skeletal element 6, as shown in FIG. 21, a radial element 60, an ulnar element 61, a carpal element 62, a metacarpal element 63, a phalange element 64, and a humeral element are reproduced. The mesh size of each element is 1 mm to 3 mm.
[0085]
As shown in FIGS. 20 to 23, it can be seen that also in the case of the upper limb finite element model 13 of the present embodiment, the skeleton and joints of the human hand are faithfully reproduced. By using such an upper limb finite element model 13, various analyzes relating to impact applied to a human hand or arm, for example, when a predetermined operation is performed by mounting an article such as a grab on a human hand, are performed. be able to.
[0086]
For example, as shown in FIG. 24, by performing a predetermined analysis using the grab finite element model 14 and the upper limb finite element model 13, as in the case of the lower limb finite element model 5 described above, The glove can be designed so as not to place an excessive burden on a human hand or arm when the glove is worn and an operation such as catching a ball is performed.
[0087]
Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the embodiments disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the appended claims, and includes all modifications within the scope and meaning equivalent to the claims.
[0088]
【The invention's effect】
According to the present invention, when an article is attached to the lower limb or the upper limb and a predetermined operation is performed, the stress applied to each part of the lower limb or the upper limb can be calculated much more accurately than the conventional example. Various human-worn articles can be designed so as not to place an excessive burden on the human body by utilizing the above.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a design support apparatus according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining processing in the design support apparatus according to one embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a perspective view of a part of a lower limb finite element model according to one embodiment of the present invention as viewed from the little finger side.
FIG. 4 is a perspective view of a part of the lower limb finite element model according to one embodiment of the present invention as viewed from the heel side.
FIG. 5 is a perspective view of a part of a lower limb finite element model according to one embodiment of the present invention as viewed from the thumb side.
FIG. 6 is a plan view showing a part of a lower limb finite element model according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an enlarged view of an example of a joint portion of the lower limb finite element model according to one embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an enlarged view of another example of the joint part of the lower limb finite element model in one embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view showing a soft tissue element of a lower limb finite element model according to one embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an enlarged perspective view showing a state where a lower limb finite element model and a shoe finite element model are assembled in one embodiment of the present invention.
FIG. 11A is a side view showing a state in which a lower limb finite element model and a shoe finite element model are assembled and an operation is being performed in one embodiment of the present invention.
(B) is a figure which shows the state which removed the shoe finite element model from (a).
FIG. 12 (a) is a side view showing a state in which a lower limb finite element model and a shoe finite element model are assembled and an operation is being performed in one embodiment of the present invention.
(B) is a figure which shows the state which removed the shoe finite element model from (a).
FIG. 13A is a rear view showing a state in which a lower limb finite element model and a shoe finite element model are assembled and performing a certain operation in one embodiment of the present invention.
(B) is a figure which shows the state which removed the shoe finite element model from (a).
FIG. 14A is a perspective view showing a state in which a lower limb finite element model and a shoe finite element model are assembled and performing a certain operation in one embodiment of the present invention.
(B) is a figure which shows the state which removed the shoe finite element model from (a).
FIG. 15 is a side view of a shoe finite element model according to one embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a rear view of a shoe finite element model according to one embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a diagram showing an example of an analysis result when a running motion is performed using a lower limb finite element model and a shoe finite element model in one embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a diagram showing another example of an analysis result when a running operation is performed using a lower limb finite element model and a shoe finite element model in one embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a diagram showing an example of an analysis result when a walking motion is performed using a lower limb finite element model and a shoe finite element model in one embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a plan view of an upper limb finite element model according to one embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a partially enlarged view of an upper limb finite element model in one embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a partially enlarged view of an upper limb finite element model according to one embodiment of the present invention.
FIG. 23 is an enlarged view of a fingertip portion of the upper limb finite element model in one embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a diagram showing a state where an upper limb finite element model and a grab finite element model are assembled in one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 input device, 2 arithmetic unit (computer), 3 display device, 4 storage device, 5 limb finite element model, 6 skeletal element, 7 joint element, 8 muscle element, 9 tendon element, 10 brace element, 11 soft tissue element, 12 Shoes finite element model, 13 Upper limb finite element model, 14 Grab finite element model, 15 joint capsule, 60 radial element, 61 ulnar element, 62 carpal bone element, 63 metacarpal element, 64 phalange element, 80 short peroneal muscle Elements, 81 long peroneus muscle element, 82 third peroneus muscle element, 83 long finger extensor element, 84 short finger extensor element, 85 long thumb extensor element, 86 tibialis anterior muscle element, 87 long finger flexor element, 88 89, flexor pollicis longus element, 90 Achilles tendon element, 91 superficial digital flexor element and deep flexor flexor element, 100 superior peroneus muscularis element, 101 inferior peroneus muscularis element, 102 superior extensor muscularis element, 103 flexors Band element, 1 0 Before talofibular ligament element 111 Kakatokobura ligament element 112 Sunefune ligament element 113 before shin 距靭 band element 114 Sunekakato ligament element, shin calf ligament element after 115, 116 after talofibular ligament elements.

Claims (23)

有限要素法を用い、人体の上肢あるいは下肢に人体装着物品を装着して動作を行った時に前記上肢あるいは下肢にかかる応力を算出することにより人体装着物品の設計を支援する設計支援装置であって、
前記下肢をモデル化した下肢有限要素モデルあるいは前記上肢をモデル化した上肢有限要素モデルと、人体装着物品をモデル化した人体装着物品有限要素モデルとを用いて前記応力を算出する演算部を備えたことを特徴とする、人体装着物品の設計支援装置。
A design support apparatus for supporting the design of a human body-mounted article by calculating a stress applied to the upper limb or the lower limb when the human body-mounted article is mounted on the upper limb or the lower limb of the human body and performing an operation using a finite element method, ,
An arithmetic unit that calculates the stress using a lower limb finite element model that models the lower limb or an upper limb finite element model that models the upper limb, and a human body wearing article finite element model that models a human body wearing article. A design support device for a human-worn article.
前記下肢有限要素モデルは、足根骨要素と、中足骨要素と、種子骨要素と、指骨要素と、腓骨要素と、脛骨要素と、膝蓋骨要素と、大腿骨要素と、骨盤要素と、関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素と含む、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。The lower limb finite element model includes a tarsal bone element, a metatarsal bone element, a seed bone element, a phalangeal element, a fibula element, a tibia element, a patella element, a femur element, a pelvis element, and a joint. The human body wearing article design support device according to claim 1, comprising an element, a muscle element, a tendon element, a brace element, and a soft tissue element. 前記下肢有限要素モデルは、踵衝突解析を行なうためのモデルであり、
4個の足根骨要素と、5個の中足骨要素と、5個の指骨要素と、腓骨要素と、脛骨要素と、膝蓋骨要素と、大腿骨要素と、骨盤要素と、関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素と含む、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。
The lower limb finite element model is a model for performing a heel collision analysis,
Four tarsal elements, five metatarsal elements, five phalange elements, fibula elements, tibia elements, patella elements, femoral elements, pelvic elements, joint elements, The human body wearing article design support device according to claim 1, comprising a muscle element, a tendon element, a brace element, and a soft tissue element.
前記下肢有限要素モデルは、安定性解析を行なうためのモデルであり、
1個の足根骨要素と、5個の中足骨要素と、5個の指骨要素と、腓骨要素と、脛骨要素と、膝蓋骨要素と、大腿骨要素と、骨盤要素と、関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素と含む、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。
The lower limb finite element model is a model for performing stability analysis,
One tarsal element, five metatarsal elements, five phalange elements, fibula element, tibia element, patella element, femur element, pelvis element, joint element, The human body wearing article design support device according to claim 1, comprising a muscle element, a tendon element, a brace element, and a soft tissue element.
前記下肢有限要素モデルは、屈曲性解析を行なうためのモデルであり、
2個の足根骨要素と、5個の中足骨要素と、5個の指骨要素と、腓骨要素と、脛骨要素と、膝蓋骨要素と、大腿骨要素と、骨盤要素と、関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素と含む、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。
The lower limb finite element model is a model for performing flexibility analysis,
Two tarsal bone elements, five metatarsal elements, five phalange elements, fibula elements, tibia elements, patella elements, femur elements, pelvic elements, joint elements, The human body wearing article design support device according to claim 1, comprising a muscle element, a tendon element, a brace element, and a soft tissue element.
前記下肢有限要素モデルは、連続的な能動動作についての解析を行なうためのモデルであり、
7個の足根骨要素と、5個の中足骨要素と、14個の指骨要素と、腓骨要素と、脛骨要素と、膝蓋骨要素と、大腿骨要素と、骨盤要素と、関節要素と、筋要素と、腱要素と、支帯要素と、軟組織要素と含む、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。
The lower limb finite element model is a model for performing analysis on continuous active motion,
7 tarsal bone elements, 5 metatarsal elements, 14 phalangeal elements, fibula elements, tibia elements, patella elements, femoral elements, pelvic elements, joint elements, The human body wearing article design support device according to claim 1, comprising a muscle element, a tendon element, a brace element, and a soft tissue element.
前記上肢有限要素モデルは、手根骨要素と、中手骨要素と、種子骨要素と、指骨要素と、尺骨要素と、橈骨要素と、上腕骨要素と、関節要素と、筋要素と、軟組織要素と含む、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。The upper limb finite element model includes a carpal element, a metacarpal element, a seed bone element, a phalange element, an ulna element, a radial element, a humeral element, a joint element, a muscle element, and a soft tissue. The human body wearing article design support device according to claim 1, further comprising an element. 前記上肢有限要素モデルは、捕球動作解析を行なうためのモデルであり、
1個の手根骨要素と、5個の中手骨要素と、14個の指骨要素と、尺骨要素と、橈骨要素と、上腕骨要素と、関節要素と、筋要素と、軟組織要素と含む、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。
The upper limb finite element model is a model for performing ball-catching motion analysis,
Includes one carpal, five metacarpal, fourteen phalanges, ulna, radius, humerus, joint, muscle, and soft tissue elements The human body wearing article design support apparatus according to claim 1.
前記上肢有限要素モデルは、8個の手根骨要素と、5個の中手骨要素と、14個の指骨要素と、尺骨要素と、橈骨要素と、上腕骨要素と、関節要素と、筋要素と、軟組織要素と含む、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。The upper limb finite element model includes eight carpal elements, five metacarpal elements, fourteen phalange elements, an ulnar element, a radial element, a humeral element, a joint element, and a muscle. The human body-worn article design support device according to claim 1, wherein the device includes a component and a soft tissue component. 前記下肢有限要素モデルと前記上肢有限要素モデルは、骨格要素を含み、
前記骨格要素を8節点ソリッド要素で構成した、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。
The lower limb finite element model and the upper limb finite element model include skeletal elements,
The human body wearing article design support device according to claim 1, wherein the skeleton element is configured by an eight-node solid element.
前記下肢有限要素モデルと前記上肢有限要素モデルは、筋要素、腱要素および支帯要素を含み、
前記筋要素、腱要素および支帯要素を、シェル要素あるいはビーム要素で構成した、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。
The lower limb finite element model and the upper limb finite element model include a muscle element, a tendon element and a brace element,
The human body wearing article design support device according to claim 1, wherein the muscle element, the tendon element, and the brace element are configured by a shell element or a beam element.
前記シェル要素を異方性材料とし、前記ビーム要素を等方性材料とした、請求項11に記載の人体装着物品の設計支援装置。The human body wearing article design support device according to claim 11, wherein the shell element is made of an anisotropic material, and the beam element is made of an isotropic material. 前記人体装着物品有限要素モデルは、シューズモデルを含み、
前記下肢有限要素モデルは、軟組織要素を含み、
前記下肢有限要素モデルと前記シューズモデルとの複数の節点に前記軟組織要素を配置した、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。
The human body wearing article finite element model includes a shoe model,
The lower limb finite element model includes a soft tissue element,
The human body wearing article design support device according to claim 1, wherein the soft tissue elements are arranged at a plurality of nodes between the lower limb finite element model and the shoe model.
前記軟組織要素は、踵部軟組織要素と、前足部軟組織要素とを含み、
前記踵部軟組織要素の分割数を2分割以上17分割以下とし、前記前足部軟組織要素の分割数を2分割以上5分割以下とした、請求項13に記載の人体装着物品の設計支援装置。
The soft tissue element includes a heel soft tissue element and a forefoot soft tissue element,
14. The human body wearing article design support device according to claim 13, wherein the number of divisions of the heel soft tissue element is 2 or more and 17 or less, and the number of divisions of the forefoot soft tissue element is 2 or more and 5 or less.
前記人体装着物品有限要素モデルを、8節点ソリッド要素、4節点ソリッド要素、3節点シェル要素からなる群から選ばれる少なくとも1種の要素で構成した、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。The human body wearing article design support according to claim 1, wherein the human body wearing article finite element model is configured by at least one element selected from the group consisting of an 8-node solid element, a 4-node solid element, and a 3-node shell element. apparatus. 前記下肢有限要素モデルと前記上肢有限要素モデルは、関節要素を含み、
前記関節要素を、ソリッド要素、シェル要素およびビーム要素からなる群から選ばれる少なくとも1種の要素で構成した、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。
The lower limb finite element model and the upper limb finite element model include joint elements,
The human body wearing article design support device according to claim 1, wherein the joint element is configured by at least one element selected from the group consisting of a solid element, a shell element, and a beam element.
前記関節要素を前記ソリッド要素で構成し、
前記関節要素の分割数を3分割以上5分割以下とした、請求項16に記載の人体装着物品の設計支援装置。
The joint element is constituted by the solid element,
17. The human body-worn article design support device according to claim 16, wherein the number of divisions of the joint element is 3 or more and 5 or less.
前記下肢有限要素モデルは、中足骨要素と、指骨要素と、該中足骨要素と指骨要素とを連結する中足指節関節要素とを含み、
前記中足指節関節要素をビーム要素で構成し、該ビーム要素を前記中足骨要素と指骨要素の結合面の中心付近に配置した、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。
The lower limb finite element model includes a metatarsal element, a phalange element, and a metatarsophalangeal joint element that connects the metatarsal element and the phalange element.
2. The human body wearing article design support device according to claim 1, wherein the metatarsophalangeal joint element is formed of a beam element, and the beam element is arranged near a center of a coupling surface between the metatarsal element and the phalange element. 3.
前記下肢有限要素モデルは、長腓骨筋要素と、短腓骨筋要素と、長母指屈筋要素と、長指屈筋要素と、後脛骨筋要素と、アキレス腱要素とを含む、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。2. The lower limb finite element model according to claim 1, wherein the lower limb finite element model includes a long peroneus muscle element, a short peroneus muscle element, a flexor pollicis longus element, a long finger flexor muscle element, a tibialis posterior muscle element, and an Achilles tendon element. A design support device for human-worn articles. 前記下肢有限要素モデルは、前脛骨筋要素と、長指伸筋要素と、長母指伸筋要素とを含む、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。The human body wearing article design support device according to claim 1, wherein the lower limb finite element model includes a tibialis anterior muscle element, a extensor long finger element, and an extensor long thumb element. 前記下肢有限要素モデルは、長腓骨筋要素と、短腓骨筋要素と、長指伸筋要素と、第3腓骨筋要素とを含む、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。The human body wearing article design support device according to claim 1, wherein the lower limb finite element model includes a long peroneus muscle element, a short peroneus muscle element, a long finger extensor muscle element, and a third peroneus muscle element. 前記下肢有限要素モデルは、後脛骨筋要素と、長母指屈筋要素と、長指屈筋要素と、前脛骨筋要素と、アキレス腱要素とを含む、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。The human body wearing article design support according to claim 1, wherein the lower limb finite element model includes a posterior tibial muscle element, a flexor pollicis longus element, a flexor long finger flexor element, a tibialis anterior muscle element, and an Achilles tendon element. apparatus. 前記上肢有限要素モデルは、浅指屈筋要素と、深指屈筋要素と、長母指屈筋要素とを含む、請求項1に記載の人体装着物品の設計支援装置。The human body wearing article design support device according to claim 1, wherein the upper limb finite element model includes a superficial digital flexor element, a deep digital flexor element, and a long thumb flexor element.
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JP2010165345A (en) * 2008-12-19 2010-07-29 Kao Corp Finite element human body model for analyzing wearing state of wearing article
JP2010262654A (en) * 2009-05-06 2010-11-18 Livermore Software Technology Corp Method and system for improving simulating beam-to-surface contact in finite element analysis
JP2014093052A (en) * 2012-11-06 2014-05-19 Mizuno Corp Information processing unit, information processing method, and information processing program

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