JP2005353078A - Method for analyzing behavior of human body, program, storage medium, and system for analyzing/applying behavior of human body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コンピュータ上での人体モデルを利用することにより、人体の挙動をコンピュータによりシミュレートして解析する技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for simulating and analyzing the behavior of a human body by a computer by using a human body model on the computer.
人体の挙動を正確に解析することが要望される分野が存在する。そのような分野の一例は、車両の、外部からの衝撃に対する安全性を向上させる観点から、車両に外部から衝撃が加わる時に乗員に生ずる変形の程度ができる限り軽減されるように車両構造を設計する分野である。 There are fields where it is desired to accurately analyze the behavior of the human body. An example of such a field is to design the vehicle structure so that the degree of deformation that occurs to the occupant is reduced as much as possible from the viewpoint of improving the safety of the vehicle against external impacts. It is a field to do.
このような分野においては、従来、現実の人体に代わるダミー人形の全身または一部を用いて人体挙動を解析したり、人体を全身についてでなく一部のみについてコンピュータ上でモデル化し、そのモデルを用いて人体挙動を解析することが通常行われていた。 Conventionally, in such fields, human body behavior is analyzed using the whole body or part of a dummy doll that replaces the actual human body, or only a part of the human body is modeled on a computer instead of the whole body. It has been common practice to use it to analyze human behavior.
例えば、前述の車両構造を設計する分野においては、従来、現実の乗員の代わりにダミー人形を現実の車両のシートに着座させ、その状態でその現実の車両を実際に障害物に接触させるという実車実験により、車両の、外部からの衝撃に対する安全性の評価が行われていた。 For example, in the field of designing the vehicle structure described above, conventionally, an actual vehicle in which a dummy doll is seated on a seat of an actual vehicle instead of an actual occupant and the actual vehicle is actually brought into contact with an obstacle in that state. Experiments have evaluated the safety of the vehicle against external impacts.
しかしながら、ダミー人形は、現実の人体の挙動を必ずしも十分に忠実に表現し得ない場合があった。 However, the dummy doll may not always be able to accurately represent the actual behavior of the human body.
また、コンピュータ上での人体モデルを用いる場合であっても、前述の説明から明らかなように、従来においては、人体全身をコンピュータ上でモデル化することも、人体全身モデルを用いてコンピュータによって人体挙動をシミュレ−トして解析することも行われていなかった。 In addition, even when a human body model is used on a computer, as is clear from the above description, conventionally, the entire human body is modeled on a computer. The behavior was not simulated and analyzed.
そのため、従来においては、いずれの解析手法を用いる場合であっても、人体の挙動を十分に高い精度で解析することができなかった。 For this reason, conventionally, even if any analysis method is used, the behavior of the human body cannot be analyzed with sufficiently high accuracy.
このような事情を背景として、本発明は、コンピュータ上での人体モデルを用いて人体挙動を十分に高い精度でシミュレートして解析することを課題としてなされたものであり、本発明によって下記各態様が得られる。 Against the backdrop of such circumstances, the present invention has been made to simulate and analyze human body behavior with sufficiently high accuracy using a human body model on a computer. An embodiment is obtained.
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、本明細書に記載の技術的特徴およびそれらの組合せのいくつかの理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴やそれらの組合せが以下の態様に限定されると解釈されるべきではない。 As with the claims, each aspect is divided into sections, each section is numbered, and is described in a form that cites the numbers of other sections as necessary. This is to facilitate understanding of some of the technical features and combinations thereof described herein, and the technical features and combinations thereof described herein are limited to the following aspects. Should not be interpreted.
(1) 人体全身が、それの骨格組織であって複数の骨を含むものと、人体の複数の部位を互いに結合する結合組織であって少なくとも1つの靭帯と少なくとも1つの腱と少なくとも1つの筋肉との少なくとも1つを含むものとに関して、コンピュータ上でモデル化された人体モデルに基づき、予め設定されたシミュレーション解析条件のもと、その人体全身の実質的にすべての部位の挙動をコンピュータによりシミュレートして解析する人体挙動解析方法。 (1) The whole body of a human body is a skeletal tissue that includes a plurality of bones, and a connective tissue that connects a plurality of parts of the human body to each other, including at least one ligament, at least one tendon, and at least one muscle. Based on a human body model modeled on a computer, the behavior of substantially all parts of the human body is simulated by a computer based on a preset simulation analysis condition. A human body behavior analysis method that performs analysis.
この方法によれば、人体全身がモデル化されて人体挙動がシミュレーション解析されるため、人体挙動を十分に高い精度で解析し得る。 According to this method, since the whole human body is modeled and the human body behavior is analyzed by simulation, the human body behavior can be analyzed with sufficiently high accuracy.
さらに、この方法によれば、人体全身がそれの骨格組織と結合組織とに関してモデル化されるため、例えば骨格組織のみに関してモデル化する場合に比較して、人体モデルを、現実の人間の挙動をより忠実に表現し得るように構築することが容易になる。 Further, according to this method, since the whole human body is modeled with respect to its skeletal tissue and connective tissue, for example, compared with the case of modeling with respect to only the skeletal tissue, the human body model is compared with the actual human behavior. It becomes easy to construct so that it can be expressed more faithfully.
この方法は種々の用途に適用し得る。 This method can be applied to various applications.
一つの用途は、医療(リハビリ、老人医療、スポーツ医療を含む)の分野において、特に骨や筋肉、靭帯、腱等に関する人間の病気または変形を診断したり、治療したりすることを支援することである。 One application is in the field of medical care (including rehabilitation, geriatric medicine, sports medicine) to assist in diagnosing and treating human illnesses or deformities, particularly with respect to bones, muscles, ligaments, tendons, etc. It is.
別の用途は、映画、テレビ等の映像を撮影する分野において、現実の人間によってでは実現できない場面をコンピュータ・グラフィックスにより撮影する際に、よりリアルな動きを映像上の人物に演じさせることを支援することである。 Another use is to make a person on the video perform a more realistic movement when shooting a scene that cannot be realized by a real person in the field of shooting a video such as a movie or television. It is to support.
本項に記載の方法において「シミュレーション解析条件」は例えば、外部から人体に作用する力、変位、速度または加速度に関する条件を含むものとすることができる。 In the method described in this section, the “simulation analysis condition” can include, for example, a condition regarding force, displacement, speed, or acceleration acting on the human body from the outside.
また、本項において「人体モデル」は、それを有限要素法のもとに人体挙動を解析するために用いられるために、人体を複数の要素に分割してその人体をモデル化したものとすることができる。この場合、その「人体モデル」は、人体全身についての有限要素モデルということができる。 Also, in this section, the “human body model” is used to analyze the human body behavior under the finite element method, so that the human body is modeled by dividing the human body into multiple elements. be able to. In this case, the “human body model” can be said to be a finite element model for the whole human body.
(2) 前記人体モデルが、人体全身を表現するために複数の剛体部位が複数の機械的なジョイント要素により互いに連結されて構成された機構モデルを利用することなく、構成されている(1)項に記載の人体挙動解析方法。 (2) The human body model is configured without using a mechanism model in which a plurality of rigid body parts are connected to each other by a plurality of mechanical joint elements in order to represent the whole human body (1). The human body behavior analysis method according to the item.
この方法によれば、人体モデルが人体全身を解剖学的に忠実に表現することが可能となり、その結果、人体全身の挙動を精度よくシミュレートすることが可能となる。 According to this method, the human body model can faithfully represent the whole human body anatomically, and as a result, the behavior of the whole human body can be accurately simulated.
本項において「機械的なジョイント要素」は、例えば、ピンを用いてそれに固定の回転軸線まわりの回転を実現するピンジョイント式を含むように定義したり、ボールを用いてそれの任意の回転軸線まわりの回転を実現するボールジョイント式を含むように定義することが可能である。 In this section, “mechanical joint element” is defined to include, for example, a pin joint type that uses a pin to achieve rotation about a fixed rotation axis, or a ball and any rotation axis thereof. It can be defined to include a ball joint formula that achieves rotation around.
(3) 前記人体モデルの実質的にすべての部位が、各部位により表現される人体の各部位の外力に対する変形を表現する変形可能要素により構成されている(1)または(2)項に記載の人体挙動解析方法。 (3) Described in the item (1) or (2), wherein substantially all the parts of the human body model are configured by a deformable element that expresses deformation of each part of the human body expressed by each part with respect to an external force. Human body behavior analysis method.
この方法によれば、人体全身につき、それの実質的にすべての部位の変形をシミュレーションにより解析し得る。 According to this method, it is possible to analyze the deformation of substantially all parts of the human body by simulation.
さらに、この方法によれば、例えば、人体全身の複数箇所に同時に変形が生じる場合に、同じ人体モデルに依存することにより、人体全身の実質的にすべての部位の変形の程度を解析し得る。 Furthermore, according to this method, for example, when deformation occurs simultaneously at a plurality of locations in the whole human body, it is possible to analyze the degree of deformation of substantially all parts of the whole human body by relying on the same human body model.
本項において「変形」は、弾性的な変形と塑性的な変形との少なくとも一方を意味する用語として使用することができる。 In this section, “deformation” can be used as a term meaning at least one of elastic deformation and plastic deformation.
その「変形」を塑性的な変形を少なくとも意味する用語として使用する場合には、本項に記載の発明によれば、人体モデルを通して人体の骨折、破壊、破裂、断絶等を評価することができる。 When the “deformation” is used as a term meaning at least plastic deformation, according to the invention described in this section, it is possible to evaluate a fracture, destruction, rupture, disconnection, etc. of a human body through a human body model. .
(4) 前記人体モデルの複数の部位のうち前記複数の骨のいくつかを表現するものが、弾性域に塑性域が後続する力学的特性を有する弾塑性体を表現する弾塑性要素により構成されている(1)ないし(3)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法。 (4) Among the plurality of parts of the human body model, one that represents some of the plurality of bones is configured by an elasto-plastic element that represents an elasto-plastic body having a mechanical characteristic in which a plastic region follows an elastic region. The human body behavior analysis method according to any one of (1) to (3).
この方法によれば、人体の骨折をシミュレーションにより評価し得る。 According to this method, the fracture of the human body can be evaluated by simulation.
(5) 前記人体モデルを用いることにより、人体全身につき、各部位の挙動を解析するのみならず、各部位の応力を解析する(1)ないし(4)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法。 (5) The human body behavior analysis according to any one of items (1) to (4), in which the human body model is used to analyze not only the behavior of each part of the whole human body but also the stress of each part. Method.
この方法によれば、人体全身につき、各部位の挙動と応力とを解析するために、別々の人体モデルを用いることが不要となり、それら2種類の解析を容易にかつ短時間で行い得る。 According to this method, it is not necessary to use separate human body models in order to analyze the behavior and stress of each part of the whole human body, and these two types of analysis can be performed easily and in a short time.
(6) 前記結合組織を構成する複数の単位のうち、前記解析の精度に対する寄与度が大きいものに関してはモデル化するが、その寄与度が小さいものに関してはモデル化しないことにより、前記人体モデルが構成されている(1)ないし(5)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法。 (6) Among the plurality of units constituting the connective tissue, those having a large contribution to the accuracy of the analysis are modeled, but those having a small contribution are not modeled. The human body behavior analysis method according to any one of (1) to (5), which is configured.
この方法によれば、人体全身のモデル化を解析精度との関係において無駄なく行い得、モデル化に必要な時間を容易に短縮し得るとともに、解析のためのコンピュータの計算時間も容易に短縮し得る。 According to this method, the whole human body can be modeled without waste in relation to the analysis accuracy, the time required for modeling can be easily reduced, and the computer calculation time for analysis can be easily reduced. obtain.
(7) 人体全身を、前記複数の骨の強度とその人体の皮膚の柔らかさとを表現するようにモデル化することにより、前記人体モデルが構成されている(1)ないし(6)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法。
(7) The human body model is configured by modeling the whole human body so as to express the strength of the plurality of bones and the softness of the skin of the human body. The human body behavior analysis method according to
この方法によれば、人体モデルを、骨の強度および皮膚の柔らかさに至るまで人間の力学的特性を表現するものとして構築することが容易になる。 According to this method, it becomes easy to construct a human body model as one that expresses human mechanical characteristics down to bone strength and skin softness.
(8) 人体全身を、前記複数の骨の強度とその人体の軟組織の柔らかさとを表現するようにモデル化することにより、前記人体モデルが構成されている(1)ないし(7)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法。
(8) The human body model is configured by modeling the whole human body so as to express the strength of the plurality of bones and the soft tissue softness of the human body. The human body behavior analysis method according to
この方法によれば、人体モデルを、骨の強度および軟組織(例えば、人体のうち骨を除くすべてであって、皮膚と肉(筋肉を含む)と脂肪とを意味する。)の柔らかさに至るまで人間の力学的特性を表現するものとして構築することが容易になる。 According to this method, the human body model leads to bone strength and soft tissue (for example, all of the human body except bone, which means skin, meat (including muscle), and fat). It becomes easy to construct as something that expresses human mechanical characteristics.
(9) 前記人体モデルが、それの少なくとも1つの部位の形状、位置、機構学的特性および力学的特性の少なくとも1つを可変パラメータとして有するものであり、その可変パラメータが、前記シミュレーションに先立ち、ユーザにより特定されるものである(1)ないし(8)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法。 (9) The human body model has at least one of a shape, a position, a mechanical characteristic, and a mechanical characteristic of at least one portion thereof as a variable parameter, and the variable parameter is prior to the simulation, The human body behavior analysis method according to any one of (1) to (8), which is specified by a user.
この方法によれば、ユーザによる可変パラメータの特定により、シミュレーション解析に用いる人体モデルを種々の目的に容易に適合させ得る。 According to this method, the human body model used for the simulation analysis can be easily adapted to various purposes by specifying the variable parameter by the user.
(10) 前記結合組織を構成する複数の単位の少なくとも1つを1次元弾性バー要素によりモデル化することにより、前記人体モデルが構成されている(1)ないし(9)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法。 (10) The human body model is configured by modeling at least one of a plurality of units constituting the connective tissue with a one-dimensional elastic bar element, according to any one of (1) to (9). Human body behavior analysis method.
この方法によれば、人体モデルの諸元および解析特性をそれの結合組織に関して比較的簡単にモデル化し得る。 According to this method, the specifications and analysis characteristics of the human body model can be modeled relatively easily with respect to its connective tissue.
本項において「結合組織を構成する複数の単位」は、例えば、結合組織において互いに独立した複数の筋肉を意味する。 In this section, “a plurality of units constituting the connective tissue” means, for example, a plurality of muscles independent of each other in the connective tissue.
(11) 前記人体モデルに基づき、前記予め設定されたシミュレーション解析条件と、前記人体が接触することを想定された障害物の特徴と、前記人体の各部位について予め設定された変形基準とを考慮することにより、前記人体が接触する際にその人体の各部位に生ずる挙動と荷重とのうちの少なくとも挙動と各部位に生ずる変形の程度とを前記コンピュータによりシミュレートして解析する(1)ないし(10)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法。 (11) Based on the human body model, the preset simulation analysis conditions, the characteristics of the obstacle assumed to contact the human body, and the deformation criteria set in advance for each part of the human body Thus, when the human body comes into contact, at least one of the behavior and load generated in each part of the human body and the degree of deformation generated in each part are simulated and analyzed by the computer (1) to (10) The human body behavior analysis method according to any one of (10).
この方法によれば、障害物への接触時に人体に変形が生ずる部位およびその変形の程度を予想でき、このことは、傷害物への接触時における変形発生メカニズムを容易に解明し得るとともに、変形を軽減するために講ずべき対策を容易に想起し得ることを意味する。 According to this method, it is possible to predict the part where the human body is deformed upon contact with the obstacle and the extent of the deformation, which can easily elucidate the mechanism of deformation occurring upon contact with the obstacle. This means that measures that should be taken to reduce the risk can be easily recalled.
本項において「障害物」は、車両等の移動体を意味するように解釈したり、壁、電柱、ガードレール等の構造物(定着物)を意味するように解釈することができる。この定義は、下記の態様についても適用され得る。 In this section, “obstacle” can be interpreted to mean a moving body such as a vehicle, or it can be interpreted to mean a structure (fixed matter) such as a wall, a utility pole, or a guardrail. This definition can also be applied to the following embodiments.
(12) 前記コンピュータによる前記人体モデル全体に対する単位シミュレーションが単位時間であるタイムステップで繰り返されることにより一連のシミュレーションが行われるとともに、前記人体全身を複数の要素に、前記タイムステップの長さが予め設定された最小値より短くならないように予め設定された前記各要素の最小長さに関する条件を満たすように分割することにより、前記人体モデルが構成されている(1)ないし(11)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法。
(12) A series of simulations is performed by repeating unit simulation of the whole human body model by the computer in time steps that are unit time, and the length of the time step is determined in advance with the whole human body as a plurality of elements. Any one of the items (1) to (11), wherein the human body model is configured by dividing so as to satisfy a condition regarding a minimum length of each element set in advance so as not to be shorter than a set minimum value. The human body behavior analysis method according to
人体モデルを用いたコンピュータによるシミュレーション解析においては、一般に、コンピュータによる人体モデル全体に対する単位シミュレーションが単位時間であるタイムステップで繰り返されることにより一連のシミュレーションが行われる。一方、人体モデルが解析のために実用的なものであるためには、一連のシミュレーションのためのコンピュータによる計算時間が長過ぎないことが必要である。タイムステップは人体モデルの各要素の代表長さが短いほど短くなり、また、上記算時間はタイムステップが短いほど長くなる。また、タイムステップの最小値は、経験上、約1.0x10−6秒より短くならないように設定すべきである。 In simulation analysis by a computer using a human body model, a series of simulations is generally performed by repeating unit simulation of the entire human body model by a computer at time steps that are unit time. On the other hand, in order for a human body model to be practical for analysis, it is necessary that the computer calculation time for a series of simulations is not too long. The time step becomes shorter as the representative length of each element of the human body model is shorter, and the calculation time becomes longer as the time step is shorter. The minimum value of the time step should be set so as not to be shorter than about 1.0 × 10 −6 seconds.
このような知見に基づき、本項に係る方法においては、コンピュータによる人体モデル全体に対する単位シミュレーションが単位時間であるタイムステップで繰り返されることにより一連のシミュレーションが行われるとともに、人体全身を複数の要素に、タイムステップの長さが予め設定された最小値より短くならないように予め設定された各要素の最小長さに関する条件を満たすように分割することにより、人体モデルが構成される。 Based on such knowledge, in the method according to this section, a series of simulations are performed by repeating unit simulation for the whole human body model by a computer at time steps that are unit time, and the whole body is made into a plurality of elements. The human body model is configured by dividing the time step so as not to satisfy the condition relating to the minimum length of each element set in advance so that the length of the time step does not become shorter than the preset minimum value.
したがって、この方法によれば、人体モデルの実用性を容易に向上させることができ、その結果、実用的な人体挙動解析方法を容易に実現することができる。 Therefore, according to this method, the practicality of the human body model can be easily improved, and as a result, a practical human body behavior analysis method can be easily realized.
(13) 前記人体の関節部を、そこに存在する前記結合組織の力学的特性を表現するようにモデル化することにより、前記人体モデルが構成されている(1)ないし(12)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法。
(13) Any one of the items (1) to (12), wherein the human body model is configured by modeling the joint portion of the human body so as to express the mechanical characteristics of the connective tissue existing therein. The human body behavior analysis method according to
人体モデルは従来、人体の関節部を、そこに存在する結合組織を考慮することなく、機械的なジョイント要素でモデル化することにより、構成されていた。このような従来の人体モデルの一例は、人体を複数の剛体要素であって形状と質量とを有するものに分割するとともに、それら分割された複数の剛体要素をジョイント要素であってそれら複数の剛体要素が相対運動させられる運動軸を位置固定に有するものにより互いに結合した機構モデルである。 Conventionally, a human body model has been constructed by modeling a joint part of a human body with a mechanical joint element without considering the connective tissue existing there. An example of such a conventional human body model is to divide a human body into a plurality of rigid elements having a shape and a mass, and the plurality of divided rigid elements are joint elements and the plurality of rigid bodies. It is a mechanism model in which elements are coupled to each other by means of fixed movement axes that allow relative movement of elements.
しかし、このようにして人体モデルが構成される場合には、例えば、現実の関節部の応力−歪み特性すなわち力学的特性を十分には正確に表現することができない。 However, when the human body model is configured in this way, for example, the actual stress-strain characteristic of the joint part, that is, the mechanical characteristic cannot be expressed sufficiently accurately.
これに対して、本項に係る方法においては、人体の関節部を、そこに存在する結合組織の力学的特性を表現するようにモデル化することにより、人体モデルが構成される。 On the other hand, in the method according to this section, the human body model is constructed by modeling the joint portion of the human body so as to express the mechanical characteristics of the connective tissue existing there.
したがって、この方法によれば、人体の関節部の運動および変形をより正確に表現可能となる。 Therefore, according to this method, the motion and deformation of the joint part of the human body can be expressed more accurately.
(14) 前記人体が、前記複数の骨のいくつかであってその人体の関節において互いに結合されるものがそのまわりに運動させられる運動軸を少なくとも1つ有するとともに、その運動軸の位置がそれらいくつかの骨の相対運動に応じて変化させられる運動軸可変関節部を含み、
その運動軸可変関節部を、解剖学的に等価な構造を前記人体モデルに採用することによってそれの運動軸の位置が変化させられるように表現するようにモデル化することにより、前記人体モデルが構成されている(1)ないし(13)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法。
(14) The human body has at least one motion axis around which some of the plurality of bones coupled to each other at joints of the human body are moved, and the positions of the motion axes are Including a variable axis joint that can be changed according to the relative movement of several bones,
By modeling the motion axis variable joint part so that the position of the motion axis can be changed by adopting an anatomically equivalent structure in the human body model, the human body model The human body behavior analysis method according to any one of (1) to (13), which is configured.
人体モデルは従来、人体の運動軸可変関節部をそれの運動軸の位置が変化させられないように表現する機械的なジョイント要素でモデル化することにより、構成されていた。このような従来の人体モデルの一例は、前述の機構モデルである。 Conventionally, a human body model has been constructed by modeling a joint unit of a motion axis of a human body with a mechanical joint element that expresses the position of the motion axis of the human body so as not to change. An example of such a conventional human body model is the mechanism model described above.
しかし、このようにして人体モデルが構成される場合には、例えば、運動軸可変関節部の現実の運動すなわち機構学的特性を十分には正確に表現することができない。 However, when the human body model is configured in this way, for example, the actual motion of the variable motion axis joint, that is, the mechanical characteristics cannot be expressed sufficiently accurately.
これに対して、本項に係る方法においては、人体の運動軸可変関節部を解剖学的に等価な構造を人体モデルに採用することによってそれの運動軸の位置が変化させられるように表現するようにモデル化することにより、人体モデルが構成される。 On the other hand, in the method according to this section, the motion axis variable joint portion of the human body is expressed by adopting an anatomically equivalent structure in the human body model so that the position of the motion axis can be changed. By modeling in this way, a human body model is constructed.
したがって、この方法によれば、人体の運動軸可変関節部の運動すなわち変位をより正確に表現可能となる。 Therefore, according to this method, it is possible to more accurately represent the motion, that is, the displacement of the human body motion axis variable joint.
(15) 前記人体が、前記複数の骨のいくつかであってその人体の関節において互いに結合されるものがそのまわりに運動させられる運動軸を少なくとも1つ有するとともに、その運動軸の位置がそれらいくつかの骨の相対運動に応じて変化させられる運動軸可変関節部を含み、
その運動軸可変関節部を、解剖学的に等価な構造を前記人体モデルに採用することによってそれの運動軸の位置が変化させられるように表現するとともにその運動軸可変関節部に存在する前記結合組織の力学的特性を表現するようにモデル化することにより、前記人体モデルが構成されており、
その人体モデルを用いることにより、人体全身の挙動の解析と、前記運動軸可変関節部を含む人体の実質的にすべての部位の変形の解析とを行う(1)ないし(12)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法。
(15) The human body has at least one motion axis around which some of the plurality of bones coupled to each other at joints of the human body are moved, and the position of the motion axis is Including a variable axis joint that can be changed according to the relative movement of several bones,
The motion axis variable joint part is expressed so that the position of the motion axis can be changed by adopting an anatomically equivalent structure in the human body model, and the coupling existing in the motion axis variable joint part By modeling so as to express the mechanical characteristics of the tissue, the human body model is configured,
Any one of the items (1) to (12), wherein the human body model is used to analyze the behavior of the whole human body and to analyze the deformation of substantially all the parts of the human body including the motion axis variable joint. The human body behavior analysis method described in 1.
人体の運動軸可変関節部を、それの現実の力学的特性および機構学的特性を表現するようにモデル化することにより、人体モデルが構成される場合には、その人体モデルのうち運動軸可変関節部に対応する部分(以下、「関節部モデル」という。)が、運動軸可変関節部の特性、すなわち、変形特性および運動特性を高い精度で表現可能なモデルであることを意味する。そして、このことは、さらに、その関節部モデルを用いれば、運動軸可変関節部の挙動が反映された人体全身の挙動の解析と、その運動軸可変関節部の変形の解析とを行い得ることを意味する。 If the human body model is constructed by modeling the joints that can change the motion axis of the human body so as to express the actual mechanical and mechanical characteristics of the joint, the motion axis of the human body model can be changed. This means that the part corresponding to the joint part (hereinafter referred to as “joint part model”) is a model that can express the characteristics of the motion axis variable joint part, that is, the deformation characteristics and the motion characteristics with high accuracy. This means that if the joint part model is used, the behavior of the whole human body reflecting the behavior of the motion axis variable joint part and the deformation analysis of the motion axis variable joint part can be performed. Means.
このような知見に基づき、本項に係る方法においては、人体の運動軸可変関節部の現実の力学的特性および機構学的特性を表現する人体モデルを用いることにより、人体全身の挙動の解析と運動軸可変関節部を含む人体の実質的にすべての部位の変形の解析とが行われる。 Based on these findings, the method according to this section uses the human body model that represents the actual mechanical and mechanistic characteristics of the variable axis of motion of the human body to analyze the behavior of the whole human body. Analysis of deformation of substantially all parts of the human body including the motion axis variable joint is performed.
したがって、この方法によれば、同じ人体モデルを用いて複数種類の解析を行うことが可能となるため、人体の挙動と変形との解析に必要なコンピュータの計算時間を容易に短縮可能となる。 Therefore, according to this method, since it is possible to perform a plurality of types of analysis using the same human body model, it is possible to easily reduce the computer calculation time required for analyzing the behavior and deformation of the human body.
(16) 前記人体の胸腹部を、そこに存在する複数の臓器の外力に対する変形を個別に表現するようにモデル化することにより、前記人体モデルが構成されている(1)ないし(15)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法。 (16) The human body model is configured by modeling the thoracoabdominal part of the human body so as to individually express the deformation of the plurality of organs existing in the human body against the external force. The human body behavior analysis method according to any one of the above.
人体モデルにより、人体の胸腹部の変形をシミュレーション解析して評価することが既に提案されている。 It has already been proposed to evaluate the deformation of the thorax of the human body by simulation analysis using a human body model.
しかし、その従来の提案は、人体の胸腹部をマクロ的にシミュレーション解析して評価するものであり、各臓器ごとに詳しい解析および評価を行うことを可能にするものではない。 However, the conventional proposal is to evaluate the thoracoabdominal part of a human body by performing a macro-simulation analysis, and does not allow detailed analysis and evaluation for each organ.
これに対して、本項に係る方法においては、人体の胸腹部を、そこに存在する複数の臓器の外力に対する変形を個別に表現するようにモデル化することにより、人体モデルが構成される。 On the other hand, in the method according to this section, the human body model is configured by modeling the thoracoabdominal part of the human body so as to individually express the deformation of the plurality of organs existing therein against the external force.
したがって、この方法によれば、人体における各臓器が個別にモデル化されるため、各臓器ごとに変形を解析して評価することが可能となる。 Therefore, according to this method, since each organ in the human body is individually modeled, it is possible to analyze and evaluate deformation for each organ.
(17) 人体への衝撃付与に応答してその人体の各部位に生ずる応力である衝撃応答応力がその衝撃付与時におけるその人体の姿勢に依存する環境において、
前記人体モデルを用いることにより、前記衝撃付与時における人体全身の姿勢を解析する姿勢解析工程と、
その解析された姿勢と前記人体モデルとを用いることにより、前記衝撃応答応力を解析する応力解析工程と
を含む(1)ないし(16)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法。
(17) In an environment in which impact response stress, which is stress generated in each part of the human body in response to the impact applied to the human body, depends on the posture of the human body when the impact is applied,
By using the human body model, a posture analysis step of analyzing the posture of the whole human body at the time of applying the impact,
The human body behavior analysis method according to any one of (1) to (16), including: a stress analysis step of analyzing the impact response stress by using the analyzed posture and the human body model.
この方法によれば、衝撃付与に応答する人体の応力がその衝撃付与時におけるその人体の姿勢に依存する環境において、人体モデルを用いることにより、衝撃付与時における人体全身の姿勢を考慮しつつ、衝撃応答応力を精度よく解析することが可能となる。 According to this method, in an environment in which the stress of the human body responding to the impact application depends on the posture of the human body at the time of the impact application, using the human body model, the posture of the whole human body at the time of the impact application is considered, Impact response stress can be analyzed with high accuracy.
(18) 前記環境が、人間が運動中に構造物に衝突する環境を含み、前記衝撃応答応力が、その人間の複数の部位のうち前記構造物に衝突するものに生ずる応力を含む(17)項に記載の人体挙動解析方法。 (18) The environment includes an environment in which a human collides with a structure while exercising, and the impact response stress includes a stress generated in one of a plurality of portions of the human that collides with the structure. The human body behavior analysis method according to the item.
(19) 前記環境が、人間が転倒して地面または床に衝突する環境を含み、前記衝撃応答応力が、その人間の複数の部位のうち前記地面または床に衝突するものに生ずる応力を含む(17)項に記載の人体挙動解析方法。 (19) The environment includes an environment in which a human falls and collides with the ground or the floor, and the impact response stress includes a stress generated in one of a plurality of parts of the human that collides with the ground or the floor ( The human body behavior analysis method according to item 17).
(20) 前記環境が、人間が歩行または走行中にそれの足の裏において地面または床に着地する環境を含み、前記衝撃応答応力が、前記足に生ずる応力を含む(17)項に記載の人体挙動解析方法。 (20) The environment according to (17), wherein the environment includes an environment in which a human lands on the ground or floor at the sole of the foot during walking or running, and the impact response stress includes a stress generated in the foot. Human body behavior analysis method.
(21) 前記人間が、靴を履いており、前記衝撃応答応力が、前記靴に生ずる応力を含む(20)項に記載の人体挙動解析方法。 (21) The human body behavior analysis method according to (20), wherein the person is wearing shoes, and the impact response stress includes stress generated in the shoe.
(22) 前記姿勢解析工程が、
(a)人体全身を、各々形状と質量とを有する複数の剛体要素に分割するとともに、それら複数の剛体要素を各ジョイント要素により、位置固定の運動軸まわりに互いに相対運動可能に結合することによりコンピュータ上でモデル化された機構モデルに基づき、前記衝撃付与の前における人体全身の姿勢を解析する第1解析工程と、
(b)その解析された姿勢を前記人体モデルに与えるとともに、その後に、その人体モデルに基づき、前記衝撃付与時における人体全身の姿勢を解析する第2解析工程と
を含む(17)ないし(21)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法。
(22) The posture analysis step includes
(A) By dividing the whole human body into a plurality of rigid elements each having a shape and a mass, and connecting the plurality of rigid elements by a joint element so that they can move relative to each other around a fixed movement axis. Based on a mechanism model modeled on a computer, a first analysis step of analyzing the posture of the whole human body before the impact is applied;
(B) a second analysis step of giving the analyzed posture to the human body model, and thereafter analyzing the posture of the whole human body when the shock is applied based on the human body model (17) to (21) The human body behavior analysis method according to any one of items 1) to 3).
前記(17)項における人体モデルと、本項における機構モデルとを互いに比較すると、機構モデルによれば、人体全身の挙動および各部位の応力を精度よく解析することはできないが、人体全身の挙動を短時間で解析し得る。これに対して、人体モデルによれば、人体全身の挙動および各部位の応力を精度よく解析することはできるが、人体全身の挙動解析に、機構モデルより長い時間が必要となるのが一般的である。 Comparing the human body model in the item (17) with the mechanism model in this section, the mechanism model cannot accurately analyze the behavior of the whole human body and the stress of each part. Can be analyzed in a short time. On the other hand, the human body model can accurately analyze the behavior of the whole human body and the stress of each part, but generally requires a longer time to analyze the behavior of the whole human body than the mechanism model. It is.
そこで、本項に係る方法においては、姿勢解析にそれほど高い精度が要求されない段階、すなわち、衝撃付与の前の段階においては、機構モデルが用いられることにより、人体全身の姿勢を短時間で解析可能となっており、さらに、姿勢解析に高い精度が要求される段階、すなわち、衝撃付与の前からその衝撃付与時までの間においては、人体モデルが用いられることにより、人体全身の姿勢を高精度で解析可能となっている。 Therefore, in the method according to this section, it is possible to analyze the posture of the whole human body in a short time by using the mechanism model at the stage where posture analysis does not require high accuracy, that is, before the impact is applied. Furthermore, the posture of the whole body is highly accurate by using a human body model at the stage where high accuracy is required for posture analysis, that is, before the impact is applied and before the impact is applied. It is possible to analyze with.
(23) (1)ないし(22)項のいずれかに記載の人体挙動解析方法を実行するためにコンピュータにより実行されるプログラム。 (23) A program executed by a computer to execute the human body behavior analysis method according to any one of (1) to (22).
このプログラムがコンピュータにより実行されれば、前記(1)ないし(22)項のいずれかに係る方法におけると基本的に同じ原理に従い、同様な効果が実現され得る。 If this program is executed by a computer, the same effect can be realized according to basically the same principle as in the method according to any one of the above items (1) to (22).
このプログラムは、それの機能を果たすためにコンピュータにより実行される指令の組合せのみならず、各指令に従って処理されるファイルやデータをも含むように解釈することが可能である。 This program can be interpreted to include not only a combination of instructions executed by a computer to fulfill its function, but also files and data processed according to each instruction.
また、このプログラムは、それ単独でコンピュータに実行されることにより、所期の目的を達するものとしたり、他のプログラムと共にコンピュータに実行されることにより、所期の目的を達するものとすることができる。後者の場合、本項に係るプログラムは、データを主体とするものとすることができる。 In addition, this program may achieve its intended purpose by being executed on a computer by itself, or it may be intended to achieve its intended purpose by being executed on a computer together with other programs. it can. In the latter case, the program according to this section can be mainly composed of data.
(24) (23)項に記載のプログラムをコンピュータ読取り可能に記録した記録媒体。 (24) A recording medium on which the program according to item (23) is recorded so as to be readable by a computer.
この記録媒体に記録されているプログラムがコンピュータにより実行されれば、前記(1)ないし(22)項のいずれかに係る方法と同じ作用効果が実現され得る。 If the program recorded on the recording medium is executed by a computer, the same operation and effect as the method according to any one of the items (1) to (22) can be realized.
この記録媒体は種々な形式を採用可能であり、例えば、フレキシブルディスク等の磁気記録媒体、CD、CD−ROM等の光記録媒体、MO等の光磁気記録媒体、ROM等のアンリムーバブル・ストレージ等のいずれかを採用し得る。 This recording medium can adopt various formats, for example, a magnetic recording medium such as a flexible disk, an optical recording medium such as a CD and a CD-ROM, a magneto-optical recording medium such as an MO, an unremovable storage such as a ROM, etc. Either of these may be employed.
(25) 人体全身が少なくともそれの骨格組織であって複数の骨を含むものに関してコンピュータ上でモデル化された人体モデルに基づき、予め設定されたシミュレーション解析条件のもと、その人体の少なくとも1つの部位の挙動をコンピュータによるシミュレーションプログラムの実行によってシミュレートして解析し、その解析結果に基づき、ユーザにより特定されるアプリケーションを前記コンピュータまたは別のコンピュータにより実行する人体挙動解析・応用システム。 (25) Based on a human body model modeled on a computer with respect to a human body whose whole body is at least a skeletal tissue and includes a plurality of bones, at least one of the human body is set under a simulation analysis condition set in advance. A human body behavior analysis / application system in which a behavior of a part is simulated and analyzed by execution of a simulation program by a computer, and an application specified by a user is executed by the computer or another computer based on the analysis result.
(26) 人体全身を、前記骨格組織と、人体の複数の部位を互いに結合する結合組織であって少なくとも1つの靭帯と少なくとも1つの腱と少なくとも1つの筋肉との少なくとも1つを含むものとに関してモデル化することにより、前記人体モデルが構成されている(25)項に記載の人体挙動解析・応用システム。 (26) With respect to the entire human body, the skeletal tissue and a connective tissue that connects a plurality of parts of the human body to each other and includes at least one of at least one ligament, at least one tendon, and at least one muscle The human body behavior analysis / application system according to item (25), wherein the human body model is configured by modeling.
このシステムによれば、人体全身がそれの骨格組織と結合組織とに関してモデル化されるため、例えば骨格組織のみに関してモデル化する場合に比較して、人体モデルを、現実の人間の挙動をより忠実に表現し得るように構築することが容易になる。 According to this system, the whole human body is modeled with respect to its skeletal tissue and connective tissue, so that the human body model is more faithful to real human behavior than when modeling only with respect to skeletal tissue, for example. It becomes easy to construct it so that it can be expressed.
(27) 前記シミュレーションプログラムが、前記人体モデルに基づき、前記予め設定されたシミュレーション解析条件を考慮することにより、人体全身につき、それの実質的にすべての部位の挙動と荷重とのうちの少なくとも挙動と各部位に生ずる変形の程度とをシミュレートして解析するものである(26)項に記載の人体挙動解析・応用システム。 (27) The simulation program considers the preset simulation analysis conditions based on the human body model, whereby at least the behavior of all the parts and loads of the whole body of the human body. (26) The human body behavior analysis / application system according to the item (26).
このシステムによれば、人体全身につき、それの実質的にすべての部位の挙動と荷重とのうちの少なくとも挙動と各部位に生ずる変形の程度とをコンピュータによりシミュレートして解析することが可能となる。 According to this system, it is possible to simulate and analyze by computer a behavior of at least all of the behaviors and loads of substantially all parts of the human body and the degree of deformation occurring in each part. Become.
なお付言すれば、前記(25)ないし(27)項のいずれかに係るシステムは、前記(2)ないし(22)項のいずれかに記載の特徴的技術と共に実施することが可能である。 In addition, the system according to any one of the items (25) to (27) can be implemented together with the characteristic technique according to any one of the items (2) to (22).
(28) 通信可能に互いに接続されたサーバ・コンピュータとクライアント・コンピュータとの少なくとも1つを含む人体挙動解析・応用システムであって、
前記サーバ・コンピュータは、人体全身が少なくともそれの骨格組織であって複数の骨を含むものに関してコンピュータ上でモデル化された人体モデルに基づき、予め設定されたシミュレーション解析条件のもと、その人体の少なくとも1つの部位の挙動をコンピュータによるシミュレーションプログラムの実行によってシミュレートして解析し、その解析結果を前記クライアント・コンピュータに送信するものであり、
前記クライアント・コンピュータは、前記サーバ・コンピュータから受信した解析結果に基づき、そのユーザにより特定されるアプリケーションを実行するものである人体挙動解析・応用システム。
(28) A human body behavior analysis / application system including at least one of a server computer and a client computer that are communicably connected to each other,
The server computer is based on a human body model modeled on a computer with respect to a human body whose whole body is at least a skeletal tissue and includes a plurality of bones. The behavior of at least one part is simulated and analyzed by execution of a simulation program by a computer, and the analysis result is transmitted to the client computer,
The human body behavior analysis / application system in which the client computer executes an application specified by the user based on the analysis result received from the server computer.
このシステムによれば、人体全身のモデルを用いてシミュレーション解析された結果に基づき、ユーザにより特定されるアプリケーション(特定の用途に向けられたコンピュータ・プログラム)が実行されるため、ユーザはアプリケーションを所期の目的が十分に達成されるように実行させ得る。 According to this system, an application specified by a user (a computer program directed to a specific application) is executed based on a result of simulation analysis using a model of the whole human body. It can be implemented so that the objectives of the period are fully achieved.
本項に係るシステムは、前記(2)ないし(22)および(25)ないし(27)項のいずれかに記載の特徴的技術と共に実施することが可能である。 The system according to this section can be implemented with the characteristic technique described in any one of the above (2) to (22) and (25) to (27).
(29) 人体の全身または局部を対象として複数の要素に分割することによってモデル化することにより、人体モデルを作成する人体モデル作成方法であって、
前記複数の要素がタイプに関して、太さを有しないで長さを有する1次元要素と、厚さを有しないで面積および形状を有する2次元要素と、体積および形状を有する3次元要素とに分類され、その2次元要素は、それの面内方向において引張力も圧縮力も発生させる板要素と、その面内方向において引張力は発生させるが圧縮力は発生させない膜要素とに分類され、前記対象を構成する複数の部位が靭帯、腱または筋肉を含むように構成されており、
当該方法が、前記複数の部位のうち、他の部位と面積を有する領域で接触しつつ相対運動させられる各第1部位は、複数の膜要素に分割することによってモデル化するのに対し、それら接触および相対運動が実質的に起こらない各第2部位は、複数の1次元要素に分割することによってモデル化する第1モデル化工程を含む人体モデル作成方法。
(29) A human body model creation method for creating a human body model by modeling by dividing a whole body or a local part of a human body into a plurality of elements,
The plurality of elements are classified into types: a one-dimensional element having a length without thickness, a two-dimensional element having an area and shape without thickness, and a three-dimensional element having a volume and shape. The two-dimensional element is classified into a plate element that generates a tensile force and a compressive force in the in-plane direction thereof, and a membrane element that generates a tensile force in the in-plane direction but does not generate a compressive force. The multiple parts that are configured are configured to include ligaments, tendons or muscles,
In the method, each of the plurality of parts is modeled by dividing the first parts that are moved relative to each other in contact with a region having an area with the other parts, by dividing them into a plurality of membrane elements. A human body model creation method including a first modeling step in which each second part where contact and relative movement do not substantially occur is modeled by dividing into a plurality of one-dimensional elements.
人体を構成する複数の部位である靭帯、腱または筋肉は、骨と比較すれば厚さが薄いことに着目すれば、2次元要素のうちの膜要素によってモデル化することが考えられる。しかし、それら複数の部位のうち、他の部位と面積を有する領域で接触しつつ相対運動させられる各第1部位は、複数の膜要素に分割することによってモデル化することが解析精度確保のために必要であるのに対し、それら接触および相対運動が実質的に起こらない各第2部位は、複数の1次元要素に分割することによってモデル化しても、ある程度の解析精度が確保され、このようにモデル化すれば、モデル化に必要な手間や時間を容易に削減し得る。 If attention is paid to the fact that the ligaments, tendons or muscles, which are a plurality of parts constituting the human body, are thinner than bones, it may be modeled by a membrane element of a two-dimensional element. However, in order to ensure analysis accuracy, each of the plurality of parts can be modeled by dividing it into a plurality of membrane elements, with each of the first parts being moved relative to each other in a region having an area with another part. However, even if each second part where contact and relative motion do not substantially occur is modeled by dividing it into a plurality of one-dimensional elements, a certain degree of analysis accuracy is ensured. If it is modeled, the effort and time required for modeling can be easily reduced.
このような知見に基づき、本項に係る方法によれば、モデル化対象を構成する複数の部位が、他の部位と面積を有する領域で接触しつつ相対運動させられる各第1部位は、複数の膜要素に分割されることによってモデル化されるのに対し、それら接触および相対運動が実質的に起こらない各第2部位は、複数の1次元要素に分割されることによってモデル化される。 Based on such knowledge, according to the method according to the present section, the plurality of first parts that can be relatively moved while the plurality of parts constituting the modeling target are in contact with each other in the area having the area are plural. Each of the second regions where contact and relative movement do not substantially occur is modeled by being divided into a plurality of one-dimensional elements.
したがって、この方法によれば、モデル化に必要な手間や時間を削減しつつ、解析精度を確保し得る。 Therefore, according to this method, analysis accuracy can be ensured while reducing the time and effort required for modeling.
この方法は、モデル化に必要な手間や時間を削減し得る点に注目すれば、人体全身を骨格組織と結合組織とに関してモデル化することが必要であるためにモデル化に必要な手間および時間の削減が特に強く要望される状況において実施することが特に望ましいが、この方法に内在する思想は、人体を局部的にモデル化する技術においても採用することが可能である。 If this method can reduce the effort and time required for modeling, it is necessary to model the entire human body with respect to skeletal tissue and connective tissue, so the effort and time required for modeling are required. Although it is particularly desirable to implement in a situation in which a reduction in power consumption is particularly strongly desired, the idea inherent in this method can also be adopted in a technique for locally modeling a human body.
(30) 前記複数の部位が、硬くて薄い外層と柔らかい内部とを有する骨を含み、当該方法が、さらに、その外層は、複数の板要素に分割することによってモデル化するのに対し、その内部は、複数の3次元要素に分割することによってモデル化する第2モデル化工程を含む(29)項に記載の人体モデル作成方法。 (30) wherein the plurality of sites includes bone having a hard and thin outer layer and a soft interior, and the method is further modeled by dividing the outer layer into a plurality of plate elements; The human body model creation method according to item (29), including a second modeling step in which the inside is modeled by dividing into a plurality of three-dimensional elements.
人体の骨は、その全体を複数の3次元要素に分割することによってモデル化することが考えられる。しかし、骨が、硬くて薄い外層と柔らかい内部とを含むように構成される場合には、その外層が、代表長さが短い複数の3次元要素に分割されることとなる。各3次元要素の代表長さが短いことは、前述のように、解析に必要なコンピュータ計算時間が長くなることを意味する。これに対して、外層の厚さが薄いことに着目すれば、その外層を複数の2次元要素に分割することによってモデル化することが考えられ、このようにモデル化すれば、各要素の代表長さが短くなるという問題を容易に回避し得る。 It is conceivable to model a human bone by dividing the whole bone into a plurality of three-dimensional elements. However, when the bone is configured to include a hard and thin outer layer and a soft interior, the outer layer is divided into a plurality of three-dimensional elements having a short representative length. The short representative length of each three-dimensional element means that the computer calculation time required for the analysis becomes long as described above. On the other hand, if attention is paid to the fact that the thickness of the outer layer is thin, it is possible to model by dividing the outer layer into a plurality of two-dimensional elements. The problem of shortening the length can be easily avoided.
このような知見に基づき、本項に係る方法によれば、硬くて薄い外層と柔らかい内部とを含む骨が、その外層は、複数の板要素に分割されることによってモデル化されるのに対し、その内部は、複数の3次元要素に分割されることによってモデル化される。 Based on such knowledge, according to the method according to this section, a bone including a hard thin outer layer and a soft inner is modeled by dividing the outer layer into a plurality of plate elements. The interior is modeled by being divided into a plurality of three-dimensional elements.
したがって、この方法によれば、コンピュータによる計算時間の短縮を図りつつ、解析精度を確保することが容易になる。 Therefore, according to this method, it becomes easy to ensure analysis accuracy while shortening the calculation time by the computer.
(31) 前記第1モデル化工程が、前記各第1部位を複数の膜要素に、各膜要素が正方形に近似した四辺形を成すように分割する工程を含む(29)または(30)項に記載の人体モデル作成方法。 (31) The first modeling step includes a step of dividing each first portion into a plurality of membrane elements so that each membrane element forms a quadrangle approximate to a square (29) or (30). To create a human body model.
(32) 前記第2モデル化工程が、前記外層を複数の板要素に、各板要素が正方形に近似した四辺形を成すように分割する工程を含む(29)ないし(31)項のいずれかに記載の人体モデル作成方法。 (32) Any one of (29) to (31), wherein the second modeling step includes a step of dividing the outer layer into a plurality of plate elements so that each plate element forms a quadrangle approximate to a square. To create a human body model.
(33) 前記第2モデル化工程が、前記内部を複数の3次元要素に、各3次元要素が立方体に近似した六面体を成すように分割する工程を含む(29)ないし(32)項のいずれかに記載の人体モデル作成方法。 (33) The second modeling step includes the step of dividing the interior into a plurality of three-dimensional elements so that each three-dimensional element forms a hexahedron approximated to a cube. How to create a human body model described in Crab.
(34) 人体の全身または局部を対象としてモデル化することにより、人体モデルを作成する人体モデル作成方法であって、
前記対象が、物理的に互いに独立した複数の元部位を含むように構成されており、
当該方法が、
各元部位を少なくとも1つの分割面により複数の小部位に、各小部位の平坦さが、それが属する元部位全体の平坦さより増すように分割する第1分割工程と、
それら分割された各小部位を複数の要素に分割することにより、各小部位をモデル化する第2分割工程と
を含む人体モデル作成方法。
(34) A human body model creation method for creating a human body model by modeling the whole body or a local part of the human body,
The object is configured to include a plurality of original sites that are physically independent of each other;
The method is
A first dividing step of dividing each original part into a plurality of small parts by at least one dividing plane so that the flatness of each small part is greater than the flatness of the whole original part to which the original part belongs;
A human body model creation method including: a second dividing step of modeling each small part by dividing each of the divided small parts into a plurality of elements.
対象をモデル化するに際し、従来においては、その対象を構成する複数の元部位であって互いに物理的に独立しているものに着目し、各元部位ごとに要素分割を行ってモデル化が行われていた。 Conventionally, when modeling an object, attention is paid to a plurality of original parts constituting the object that are physically independent from each other, and the element division is performed for each original part. It was broken.
しかし、それら複数の元部位の中には、全体的に平坦である元部位もあれば、幾何学的にねじれている元部位もある。後者の元部位を、それを最小単位として取り扱うことにより、複数の要素に分割したのでは、その元部位の力学的特性を精度よく表現するようにその元部位をモデル化することができない場合がある。 However, among the plurality of original parts, there are original parts that are generally flat, and there are original parts that are geometrically twisted. If the latter original part is divided into a plurality of elements by treating it as a minimum unit, the original part may not be modeled so as to accurately represent the mechanical characteristics of the original part. is there.
これに対して、本項に係る方法においては、各元部位が複数の小部位に、各小部位の平坦さが、それが属する元部位の平坦さより増すように分割される。その後、それら分割された各小部位が、それが最小単位として取り扱われることにより、複数の要素に分割され、これにより、各小部位がモデル化される。 On the other hand, in the method according to this section, each original part is divided into a plurality of small parts so that the flatness of each small part is higher than the flatness of the original part to which it belongs. Thereafter, each of the divided small parts is divided into a plurality of elements by treating it as a minimum unit, whereby each small part is modeled.
したがって、この方法によれば、各元部位の形状の複雑さの如何にかかわらず、各元部位を精度よくモデル化することが容易となる。 Therefore, according to this method, it becomes easy to accurately model each original part regardless of the complexity of the shape of each original part.
この方法は、モデル化に必要な手間や時間を削減し得る点に注目すれば、人体全身を骨格組織と結合組織とに関してモデル化することが必要であるためにモデル化に必要な手間および時間の削減が特に強く要望される状況において実施することが特に望ましいが、この方法に内在する思想は、人体を局部的にモデル化する技術においても採用することが可能である。 If this method can reduce the effort and time required for modeling, it is necessary to model the entire human body with respect to skeletal tissue and connective tissue, so the effort and time required for modeling are required. Although it is particularly desirable to implement in a situation in which a reduction in power consumption is particularly strongly desired, the idea inherent in this method can also be adopted in a technique for locally modeling a human body.
(35) (34)項に記載の人体モデル作成方法により作成された人体モデルに基づき、予め設定されたシミュレーション初期条件のもと、人体の少なくとも1つの部位の挙動をコンピュータによりシミュレートして解析する人体挙動解析方法であって、
前記人体モデルの前記複数の要素のうち前記各分割面を境界にして互いに隣接する複数の隣接要素が、各隣接要素の頂点である節点の座標値に関して、本来であれば互いに一致すべきであるにもかかわらず互いに一致しない場合に、それら本来であれば互いに一致すべき複数の節点が前記シミュレーション中に相対的に変位しないように前記シミュレーション初期条件を設定する条件設定工程を含む人体挙動解析方法。
(35) Based on the human body model created by the human body model creating method described in (34), the behavior of at least one part of the human body is simulated by a computer and analyzed under preset initial simulation conditions. A human body behavior analysis method,
Of the plurality of elements of the human body model, a plurality of adjacent elements that are adjacent to each other with the respective dividing planes as boundaries should normally match each other with respect to the coordinate values of the nodes that are the vertices of the adjacent elements. Nevertheless, the human body behavior analysis method includes a condition setting step for setting the simulation initial condition so that a plurality of nodes that should originally match each other are not relatively displaced during the simulation when they do not match each other. .
前記(34)項に記載の人体モデル作成方法により作成された人体モデルにおいて、各分割面を境界にして互いに隣接する複数の隣接要素が、各隣接要素の頂点である節点の座標値に関して、本来であれば互いに一致すべきであるにもかかわらず互いに一致しない場合がある。この場合、その予定外の不一致を無視してシミュレーションを行うと、その予定外の不一致に起因して解析精度が低下する可能性がある。 In the human body model created by the human body model creating method described in the above (34), a plurality of adjacent elements that are adjacent to each other with each divided plane as a boundary are inherently related to the coordinate values of nodes that are vertices of the adjacent elements. If so, they may not match each other even though they should match each other. In this case, if the simulation is performed while ignoring the unscheduled mismatch, the analysis accuracy may decrease due to the unscheduled mismatch.
そこで、本項に係る方法においては、本来であれば互いに一致すべき複数の節点がシミュレーション中に相対的に変位しないようにシミュレーション初期条件が設定される。 Therefore, in the method according to this section, the simulation initial condition is set so that a plurality of nodes that should be consistent with each other are not relatively displaced during the simulation.
したがって、この方法によれば、現実には互いに一致しない複数の節点があたかも互いに一致するようにシミュレーションにおいて取り扱われることとなる。 Therefore, according to this method, a plurality of nodes that do not actually match each other are handled in the simulation as if they match each other.
その結果、この方法によれば、元部位に対する第1分割の後に要素への第2分割を行うという技術の採用がかえってシミュレーション解析精度を低下させる要因となってしまうことを容易に回避し得る。 As a result, according to this method, it can be easily avoided that the adoption of the technique of performing the second division into the elements after the first division with respect to the original part becomes a factor of reducing the simulation analysis accuracy.
(36) 人体の全身または局部を対象としてモデル化することにより、人体モデルを作成する人体モデル作成方法であって、
前記対象が、2つの骨を互いに結合する関節をまたいで延びる筋肉を含み、かつ、その筋肉が、それの両端においてそれら2つの骨に結合され、それの中間においてそれら2つの骨の一方に結合されたものであり、
当該方法が、その筋肉を、太さを有しないで長さを有するとともに力を伝達する1次元要素により分割することによってモデル化するモデル化工程であって、
前記2つの骨が互いに成す角度が変化するにもかかわらず、前記1次元要素がそれら2つの骨に沿って延びる状態が維持されるようにその1次元要素の経路を最適化する第1最適化工程と、
その1次元要素と前記2つの骨との間における力の伝達が現実の特性を有するようにそれら1次元要素と2つの骨との結合を最適化する第2最適化工程と
を含む人体モデル作成方法。
(36) A human body model creation method for creating a human body model by modeling the whole body or a local part of the human body,
The object includes a muscle that extends across a joint that joins two bones together, and the muscle is joined to the two bones at both ends thereof and to one of the two bones in the middle It has been
The method is a modeling step in which the muscle is modeled by dividing it by a one-dimensional element that has a length without thickness and transmits force,
A first optimization that optimizes the path of the one-dimensional element so that the one-dimensional element remains along the two bones despite the change in the angle between the two bones. Process,
Creating a human body model including a second optimization step for optimizing the connection between the one-dimensional element and the two bones so that the force transmission between the one-dimensional element and the two bones has real characteristics Method.
この方法によれば、2つの骨を互いに結合する関節をまたいで延びる筋肉であって、それの両端においてそれら2つの骨に結合され、それの中間においてそれら2つの骨の一方に結合されたものが、それの経路と力伝達特性とを精度よく表現するようにモデル化することが容易になる。 According to this method, a muscle extending across a joint that joins two bones together, joined to the two bones at both ends thereof, and joined to one of the two bones in the middle However, it becomes easy to model the path and the force transmission characteristics so as to accurately represent the path.
(37) 前記第1最適化工程が、前記1次元要素が、それの両端において前記2つの骨と結合する2つの端結合点と、それの中間において前記一方の骨と結合する中間結合点を有するように、前記筋肉をモデル化する工程を含み、
前記第2最適化工程が、その中間結合点におけるその1次元要素と前記一方の骨との結合を、その一方の骨に固定的に位置決めされた滑車と、その滑車により支持されるロープとの概念的な組合せにより表現されるようにモデル化する工程を含む(36)項に記載の人体モデル作成方法。
(37) In the first optimization step, the one-dimensional element includes two end connection points connecting with the two bones at both ends thereof, and an intermediate connection point connecting with the one bone in the middle thereof. Comprising modeling the muscle to have,
The second optimization step includes a pulley fixedly positioned on the one bone at the intermediate connection point and the one bone and a rope supported by the pulley; The human body model creation method according to item (36), including a step of modeling so as to be expressed by a conceptual combination.
この方法によれば、滑車とロープとの概念的な組合せにより、1次元要素の経路と力伝達特性とを精度よく表現することが容易になる。 According to this method, it becomes easy to accurately express the path of the one-dimensional element and the force transmission characteristic by a conceptual combination of the pulley and the rope.
(38) 前記筋肉が、アキレス腱とそれから延びる下腿三頭筋との複合体である(36)または(37)項に記載の人体モデル作成方法。 (38) The human body model creation method according to (36) or (37), wherein the muscle is a complex of an Achilles tendon and a triceps surae extending therefrom.
(39) 人体の全身または局部を対象としてモデル化することにより、人体モデルを作成することをコンピュータであって画面を有するものによって支援する人体モデル作成支援方法であって、
前記対象を構成する複数の部位の各々に関連付けて、各部位の特性を精度よく表現する部位モデルを少なくとも1つ、標準的な部位モデルとして予め記憶しているメモリから、ユーザが人体について今回モデル化しようとする部位に対応する部位モデルを読み出し、その読み出された部位モデルを前記コンピュータの画面上に表示する第1表示工程と、
ユーザからの指令に応じ、その表示されている部位モデルに形状および大きさを与えることにより、その部位モデルを定義する定義工程と
を含む人体モデル作成支援方法。
(39) A human body model creation support method for supporting creation of a human body model by a computer having a screen by modeling the whole body or a local part of the human body,
At least one part model that accurately represents the characteristics of each part in association with each of a plurality of parts constituting the object, and the user stores the current model about the human body from a memory that is stored in advance as a standard part model. A first display step of reading a part model corresponding to the part to be converted and displaying the read part model on the computer screen;
A human body model creation support method including a definition step of defining a part model by giving a shape and size to the displayed part model in response to a command from a user.
この方法においては、対象を構成する複数の部位の各々に関連付けて、各部位の特性を精度よく表現する部位モデルが少なくとも1つ、標準的な部位モデルとしてメモリに予め記憶されている。そして、このメモリから、ユーザが人体について今回モデル化しようとする部位に対応する部位モデルが読み出され、その読み出された部位モデルがコンピュータの画面上に表示される。 In this method, at least one part model that accurately represents the characteristics of each part is stored in advance in a memory as a standard part model in association with each of a plurality of parts constituting the object. Then, a part model corresponding to a part that the user is to model this time on the human body is read from the memory, and the read part model is displayed on the screen of the computer.
したがって、この方法によれば、人体のモデル化に必要な経験や知識がなくても、ユーザが適当な部位モデルを選択して人体をモデル化することが容易になる。 Therefore, according to this method, it becomes easy for the user to model the human body by selecting an appropriate part model without the experience and knowledge necessary for modeling the human body.
その結果、この方法によれば、ユーザは、各部位ごとにいちいち、その各部位の特性を精度よく表現する部位モデルを0から定義することが不可欠ではなくなる。 As a result, according to this method, it is not indispensable for the user to define, from 0, a part model that accurately represents the characteristics of each part for each part.
(40) 前記メモリに予め記憶されている少なくとも1つの部位モデルが、人体の同じ部位に関し、タイプが異なる複数の部位モデルを複数の候補部位モデルとして含み、
当該方法が、さらに、
ユーザからの指令に応じ、それら複数の候補部位モデルのいずれかを最終部位モデルとして選択する選択工程と、
その選択された最終部位モデルを前記画面上に表示する第2表示工程と
を含み、かつ、
前記定義工程が、ユーザからの指令に応じ、その表示されている最終部位モデルに形状および大きさを与えることにより、その最終部位モデルを定義するものである(39)項に記載の人体モデル作成支援方法。
(40) The at least one part model stored in advance in the memory includes, as the plurality of candidate part models, a plurality of part models having different types regarding the same part of the human body,
The method further comprises:
In response to a command from the user, a selection step of selecting any of the plurality of candidate site models as a final site model,
A second display step of displaying the selected final part model on the screen, and
The human body model creation described in (39), wherein the defining step defines the final part model by giving the shape and size to the displayed final part model in response to a command from the user. Support method.
この方法によれば、人体の同じ部位に関し、1つの部位モデルが選択されて表示されるのではなく、タイプが異なる複数の部位モデルが表示される。 According to this method, instead of selecting and displaying one part model for the same part of the human body, a plurality of part models of different types are displayed.
したがって、この方法によれば、部位モデルの選択の自由度が向上し、ユーザの種々なニーズに容易に対応し得る。 Therefore, according to this method, the degree of freedom in selecting the part model is improved, and it is possible to easily cope with various needs of the user.
(41) 人体の同じ部位に関する前記複数の候補部位モデルのうちの少なくとも1つが、その部位を1次元要素によりモデル化するとともに、その1次元要素と人体の他の部位との結合を、その他の部位に固定的に位置決めされた滑車と、
その滑車により支持されるロープとの概念的な組合せにより表現されるようにモデル化する候補部位モデルである(40)項に記載の人体モデル作成支援方法。
(41) At least one of the plurality of candidate part models related to the same part of the human body models the part with a one-dimensional element, and the combination of the one-dimensional element with another part of the human body A pulley fixedly positioned at the site;
The human body model creation support method according to (40), which is a candidate part model that is modeled so as to be expressed by a conceptual combination with a rope supported by the pulley.
この方法によれば、滑車とロープとの概念的な組合せにより、1次元要素の経路と力伝達特性とを精度よく表現することが容易になる。 According to this method, it becomes easy to accurately express the path of the one-dimensional element and the force transmission characteristic by a conceptual combination of the pulley and the rope.
(42) (39)ないし(41)項のいずれかに記載の人体モデル作成支援方法を実行するためにコンピュータにより実行されるプログラム。 (42) A program executed by a computer to execute the human body model creation support method according to any one of (39) to (41).
このプログラムがコンピュータにより実行されれば、前記(39)ないし(41)項のいずれかに係る方法におけると基本的に同じ原理に従い、同様な効果が実現され得る。 If this program is executed by a computer, the same effect can be realized in accordance with basically the same principle as in the method according to any one of the items (39) to (41).
このプログラムは、それの機能を果たすためにコンピュータにより実行される指令の組合せのみならず、各指令に従って処理されるファイルやデータをも含むように解釈することが可能である。 This program can be interpreted to include not only a combination of instructions executed by a computer to fulfill its function, but also files and data processed according to each instruction.
(43) (42)項に記載のプログラムをコンピュータ読取り可能に記録した記録媒体。 (43) A recording medium on which the program according to item (42) is recorded so as to be readable by a computer.
この記録媒体に記録されているプログラムがコンピュータにより実行されれば、前記(39)ないし(41)項のいずれかに係る方法と同じ作用効果が実現され得る。 If the program recorded on the recording medium is executed by a computer, the same operation and effect as the method according to any one of the items (39) to (41) can be realized.
この記録媒体は種々な形式を採用可能であり、例えば、フレキシブルディスク等の磁気記録媒体、CD、CD−ROM等の光記録媒体、MO等の光磁気記録媒体、ROM等のアンリムーバブル・ストレージ等のいずれかを採用し得る。 This recording medium can adopt various formats, for example, a magnetic recording medium such as a flexible disk, an optical recording medium such as a CD and a CD-ROM, a magneto-optical recording medium such as an MO, an unremovable storage such as a ROM, etc. Either of these may be employed.
以下、本発明のさらに具体的な実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, some of more specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1には、本発明の第1実施形態である人体挙動解析方法が実行される人体挙動解析・応用システム(以下、単に「解析・応用システム」という。)10が示されている。 FIG. 1 shows a human body behavior analysis / application system (hereinafter simply referred to as “analysis / application system”) 10 in which the human body behavior analysis method according to the first embodiment of the present invention is executed.
この解析・応用システム10は、シミュレーション用コンピュータシステム12と、設計支援コンピュータ(CAD)システム14と、制御用コンピュータシステム16とを備えている。それらコンピュータシステム12,14,16はそれぞれ、同図において、「システム」という用語が省略されて示されている。
The analysis /
設計支援コンピュータシステム14は、よく知られているように、設計者が車両の構造を設計する際にその設計者を支援するものである。以下、この設計支援コンピュータシステム14を、説明の便宜上、設計支援コンピュータ14という。
As is well known, the design
シミュレーション用コンピュータシステム12は、乗員の挙動をコンピュータ上で表現し得る人体モデルを用いることにより、その乗員が乗車している車両が障害物に接触する際にその乗員の各部位に生ずる挙動と荷重(応力)とをシミュレーションにより解析するものである。
The
このシミュレーション用コンピュータシステム12は、さらに、人体のすべての部位についての荷重の解析結果に基づき、それら部位のうち基準以上の変形(以下、単に「超過変形」という)が発生する可能性がある部位を変形発生部位として決定する。具体的には、このコンピュータシステム12は、人体の各部位における荷重の解析結果を各部位の位置に関連付けた場合に、荷重が局部的に大きい部位を変形発生部位に決定する。このように、このコンピュータシステム12は、荷重の解析結果に基づいて相対的に、すべての部位のうち超過変形が発生する可能性がある部位を決定するのである。
The computer system for
このシミュレーション用コンピュータシステム12は、上述の他の2つのコンピュータシステム14,16と同様に、図2に示すように、コンピュータ18と、共に入力装置としてのキーボード20および図示しないマウスと、出力装置としてのモニタ22とを備えている。コンピュータ18は、よく知られているように、CPU、ROMおよびRAMがバスにより互いに接続されて構成されている。コンピュータ18は、さらに、記憶装置24を備えている。記憶装置24は、ハードディスク、CD−ROM等の記録媒体26からプログラムおよびデータを読み出したり、その記録媒体26にデータを書き込んだりするものである。以下、このシミュレーション用コンピュータシステム12を、説明の便宜上、シミュレーション用コンピュータ12という。
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上記記録媒体26には、人体モデルを定義するためのデータと、その人体モデルを用いて、車両に外部から衝撃が加わった時の乗員の挙動および変形の程度をシミュレーション解析するためのシミュレーションプログラムとが予め記録されている。このシミュレーションプログラムは、車両に外部から衝撃が加わった時の乗員の挙動および変形の程度を有限要素法を用いてシミュレートするプログラムである。有限要素法は、よく知られているように、コンピュータによる数値計算手法の一つであり、連続体を多数の、有限の大きさを有する要素、例えば、メッシュに分割し、個々の要素の物理量を連立の材料特性方程式に組み込んで全体の系を数値計算する手法である。材料特性方程式は、有限要素法の解析特性を制御する係数として材料特性係数を有している。
The
図3には、前記記録媒体26に記録されている人体モデル30が三次元イメージで示されている。同図において人体モデル30は、車両においてその内側を向くように傾斜したフロアパネル31に両足を置いて簡略のシート32に着座した姿勢で示されている。この人体モデル30は、有限要素法により、車両に外部から衝撃が加わった時の乗員の挙動および変形の程度を数値解析するためのモデルである。
In FIG. 3, the
この人体モデル30は、人体全身を、人体の形状と、人体の骨の強度や、軟組織のうちの皮膚の柔らかさに至るまでの人体の力学的特性とに関して忠実に表現している。具体的には、この人体モデル30は、人体を骨、皮膚、靭帯および腱に関して詳細に表現するものなのである。さらに、この人体モデル30は、人体の筋肉に関しても表現し、軟組織のうちの肉と脂肪とに関しても表現している。
The
ただし、図3においては、説明の便宜上、人体モデル30の右半身については、肉および脂肪が取り除かれて骨、腱等が見えるように示されているのに対し、左半身については、皮膚が見えるように示されている。
However, in FIG. 3, for convenience of explanation, the right half of the
この人体モデル30は、人体全身を表現するために複数の剛体部位が複数の機械的なジョイント要素により互いに連結されて構成された機構モデルを利用することなく、構成されている。したがって、この人体モデル30によれば、人体全身を解剖学的に忠実に表現することが可能となり、その結果、人体全身の挙動を精度よくシミュレートすることが可能となる。
The
さらに、この人体モデル30においては、人体全身のすべての部位が、各部位の外力に対する変形を表現する変形可能要素によりモデル化されている。したがって、この人体モデル30によれば、人体全身につき、各部位の変形を精度よく解析することが可能となる。
Furthermore, in this
さらに、この人体モデル30においては、人体全身におけるすべての骨が、弾性域に塑性域が後続する力学的特性を有する弾塑性体を表現する弾塑性体要素によりモデル化されている。塑性域において骨への外力が増加すればやがて破壊に至る。したがって、この人体モデル30によれば、骨折を解析して評価することが可能となる。
Furthermore, in this
以上の説明から明らかなように、人体モデル30においては、人体全身が、それの解剖学的な形状と構造と特性とに関して忠実に表現されており、その結果、各部位の、外力に対する物理的な応答が精度よく表現されているのである。
As is clear from the above description, in the
このように、本実施形態においては、人体全身が骨格組織のみならず靭帯、腱、筋肉等の結合組織に関してもモデル化されているが、人体のすべての部位がモデル化されているわけではない。人体の骨格組織を構成する複数の単位(ここに、一単位は、例えば、独立した1個の骨を意味する)と結合組織を構成する複数の単位(ここに、一単位は、例えば、独立した1個の筋肉を意味する)のうち、人体挙動の解析精度に対する寄与度が大きいものに関してはモデル化されるが、その寄与度が小さいものに関してはモデル化されないのである。 As described above, in the present embodiment, the entire human body is modeled not only for the skeletal tissue but also for connective tissues such as ligaments, tendons, muscles, etc., but not all parts of the human body are modeled. . A plurality of units constituting the human skeletal tissue (here, one unit means, for example, an independent bone) and a plurality of units constituting the connective tissue (here, one unit is, for example, independent) Of these, one having a large contribution to the analysis accuracy of human body behavior is modeled, but one having a small contribution is not modeled.
具体的には、例えば、図43に示すように、乗員の足の裏からの入力に対する足関節における変形を正確に解析するため、アキレス腱および足の裏にある靭帯がモデル化されている。また、例えば、図3に示すように、乗員の頭部における変形を正確に解析するため、頭部を上肢に対して支持するための筋肉34もモデル化されている。しかし、車両に外部から衝撃が加わった時に変形が生じ難い部位にある結合組織についてはモデル化が省略されている。
Specifically, for example, as shown in FIG. 43, the Achilles tendon and the ligament on the sole of the foot are modeled in order to accurately analyze the deformation in the ankle joint with respect to the input from the sole of the occupant. Further, for example, as shown in FIG. 3, a
このように、本実施形態においては、モデル化する部位の選択がシミュレーションという目的との関係において最適化されているのであり、よって、シミュレーションプログラムの計算時間が車両の開発および設計にとって実用的なレベルとなるようにモデル化が行われているのである。 Thus, in the present embodiment, the selection of the part to be modeled is optimized in relation to the purpose of simulation, and therefore the calculation time of the simulation program is a practical level for vehicle development and design. It is modeled so that
また、本実施形態においては、上述のように、人体の頭部を支持するための筋肉34がモデル化されているが、1次元弾性はり、すなわち、弾性を有するバー要素としてモデル化されている。
In the present embodiment, as described above, the
また、本実施形態においては、人体モデル30が、それの少なくとも1つの部位の形状、位置、機構学的特性および力学的特性の少なくとも1つを定義する可変パラメータを有するものとされており、その可変パラメータが、シミュレーションプログラムの実行に先立ち、ユーザである設計者により特定される。
Further, in the present embodiment, the
ここで、人体モデル30をさらに具体的に説明する。
Here, the
1.人体モデル30における各要素の長さについて
1. About the length of each element in the
本実施形態においては、シミュレーション用コンピュータ12による人体モデル30の全体に対する単位シミュレーションが単位時間であるタイムステップΔtで繰り返されることにより一連のシミュレーションが行われる。
In the present embodiment, a series of simulations is performed by repeating unit simulation of the entire
ところで、タイムステップΔtは、人体モデル30を構成する各要素ごとに、以下のように計算することができる。
By the way, the time step Δt can be calculated for each element constituting the
Δt={L√(ρ/E)} Δt = {L√ (ρ / E)}
ただし、 However,
L:各要素を代表する長さ(実用的には、例えば、各要素の最小の辺の長さ) L: length representing each element (practically, for example, the length of the minimum side of each element)
E:各要素のヤング率 E: Young's modulus of each element
ρ:各要素の質量密度 ρ: Mass density of each element
そして、すべての要素についてのすべてのタイムステップΔtのうち最小のものが、人体モデル30の全体を解析する際のタイムステップΔtとして使用される。
The smallest one of all time steps Δt for all elements is used as the time step Δt when analyzing the entire
経験的には、タイムステップΔtの最小値として適当な値は、1.0x10−6秒である。本実施形態においては、その適正値に対して余裕を持つように、1.2x10−6秒がタイムステップΔtの最小値に予め設定されるとともに、タイムステップΔtがその最小値より短くならないように、人体が複数の要素に分割されることにより、人体モデル30が構成されている。
Empirically, a suitable value for the minimum value of the time step Δt is 1.0 × 10 −6 seconds. In the present embodiment, 1.2 × 10 −6 seconds is preset to the minimum value of the time step Δt so as to have a margin for the appropriate value, and the time step Δt is not shorter than the minimum value. The
ここに、ヤング率Eおよび質量密度ρは、モデル化されるべき材料の各種類すなわち人体の各部位の位置に応じてほぼ決まった値を有する。したがって、タイムステップΔtの最小値を満たすためには、人体が分割される要素の大きさに制限を課することが必要となる。具体的には、以下の通りである。 Here, the Young's modulus E and the mass density ρ have values substantially determined according to the types of materials to be modeled, that is, the positions of the respective parts of the human body. Therefore, in order to satisfy the minimum value of the time step Δt, it is necessary to impose a limit on the size of the element into which the human body is divided. Specifically, it is as follows.
L>{√(E/ρ)}x1.2x10−6 L> {√ (E / ρ)} × 1.2 × 10 −6
例えば、図4に表形式で示すように、人体の代表的部位として皮質骨を選んだ場合には、ヤング率Eが17[GPa]、質量密度ρが2,000[kg/m3]であると仮定すると、各要素の代表長さLの最小値は3.5[mm]となる。 For example, as shown in a table form in FIG. 4, when cortical bone is selected as a representative part of the human body, the Young's modulus E is 17 [GPa] and the mass density ρ is 2,000 [kg / m 3 ]. Assuming that there is, the minimum value of the representative length L of each element is 3.5 [mm].
これに対して、同図に示すように、人体の代表的部位として海綿骨を選んだ場合には、ヤング率Eが0.07[GPa]、質量密度ρが1,000[kg/m3]であると仮定すると、各要素の代表長さLの最小値は0.32[mm]となる。 On the other hand, as shown in the figure, when cancellous bone is selected as a representative part of the human body, Young's modulus E is 0.07 [GPa] and mass density ρ is 1,000 [kg / m 3]. ], The minimum value of the representative length L of each element is 0.32 [mm].
2.人体モデル30における要素の総数について
2. About the total number of elements in the
人体モデル30が実用的であるといえるためには、その人体モデル30を用いたシミュレーション解析のためのシミュレーション用コンピュータ12の計算時間Tが長過ぎないことが必要である。このように計算の高効率化を図るためには、タイムステップΔtの最小値をできる限り大きくすることと、人体モデル30を構成する要素の総数である要素数Nをできる限り少なくすることが大切である。すなわち、それら計算時間Tと要素数NとタイムステップΔtとの間には、計算時間Tが、要素数N/タイムステップΔtに比例するという関係が存在すると考えることができるのである。
In order for the
ここで、要素数Nと計算時間Tとの関係に着目すれば、それらの間には、要素数Nに対して計算時間Tがリニアに変化するという関係が成立する。例えば、要素数Nが2倍になれば、計算時間Tも2倍になるのである。 Here, if attention is paid to the relationship between the number N of elements and the calculation time T, the relationship that the calculation time T changes linearly with respect to the number N of elements is established between them. For example, if the number N of elements is doubled, the calculation time T is also doubled.
本実施形態においては、人体モデル30の要素数Nは10万程度である。本実施形態においては、前述の説明から明らかなように、人体モデル30が、比較的単純な車両モデル(図3参照)と共に用いられて人体の挙動および発生荷重に関するシミュレーション解析が行われるが、現実の車両をより忠実に表現した車両モデルと共に用いることにより、人体の挙動および発生荷重を、車両の挙動および変形と共にシミュレートして解析するために本発明を実施することが可能である。そして、後者の場合には、車両モデルを構成する要素の総数は、普通、人体モデル30の要素数Nより多く、例えば、20万ないし30万程度とされる。
In the present embodiment, the number N of elements of the
ここで、このように人体モデル30と詳細な車両モデルとを組合わせて使用する場合に、人体モデル30の要素数Nの変化とタイムステップΔtの変化とのうちのいずれが、それら2つのモデル全体の計算時間Tの長さに大きく影響するかを検討する。
Here, when the
まず、人体モデル30の要素数Nの影響度を検討するに、たとえ人体モデル30の要素数Nが2倍に増加したとしても、2つのモデル全体の要素数は、1.3倍程度にしか増加せず、よって、計算時間Tの増加率も1.3倍程度である。このように、人体モデル30の要素数Nの変化が計算時間Tに及ぼす影響は比較的小さい。
First, when examining the influence of the number N of elements of the
次に、人体モデル30のタイムステップΔtの影響度を検討するに、車両モデルのタイムステップは前記最小値を満たしているが、人体モデル30のタイムステップΔtはその最小値の1/2に減少したとすると、計算時間Tは2倍に増加してしまう。このように、人体モデル30のタイムステップΔtの変化が計算時間Tに及ぼす影響は比較的大きい。
Next, when examining the influence of the time step Δt of the
以上の説明から明らかなように、人体モデル30と車両モデルとを組合わせて使用する場合には、計算の高効率化を図るためには、人体モデル30を構成するために人体を複数の要素に分割する際に、人体モデル30のタイムステップΔtが前記最小値を満たすように留意することの方が、人体モデル30の要素数Nが少なくなるように留意することより、重要なのである。
As is clear from the above description, when the
本実施形態においては、人体を複数の要素に分割する際に、人体モデル30のタイムステップΔtが前記最小値より短くならないようにするための対策がいくつか講じられている。
In the present embodiment, some measures are taken to prevent the time step Δt of the
例えば、人体の手足の指先の骨(以下、「指先骨」という)、現実には非常に細かいため、その指先骨を、人体モデル30のうちその指先骨に対応する部分(以下、指先骨モデル」という)が力学的特性に関して十分に忠実に表現されるようにモデル化した場合には、その指先骨モデルのタイムステップΔtが前記最小値より短くなってしまう。具体的には、その指先骨モデルの各要素の代表長さが2[mm]となるように指先骨を分割すると、ヤング率Eが17[GPa]、質量密度ρが2,000[kg/m3]である場合には、タイムステップΔtが0.69x10−6秒というように、前記最小値である1.2x10−6秒より短くなってしまうのである。 For example, since the bones of fingertips of human limbs (hereinafter referred to as “fingertip bones”) are very fine in reality, the fingertip bones are portions corresponding to the fingertip bones of the human body model 30 (hereinafter referred to as fingertip bone models). ")" Is modeled so as to be expressed sufficiently faithfully with respect to the mechanical characteristics, the time step Δt of the fingertip bone model becomes shorter than the minimum value. Specifically, when the fingertip bone is divided so that the representative length of each element of the fingertip bone model is 2 [mm], the Young's modulus E is 17 [GPa] and the mass density ρ is 2,000 [kg / m 3 ], the time step Δt is shorter than the minimum value of 1.2 × 10 −6 seconds, such as 0.69 × 10 −6 seconds.
そこで、本実施形態においては、指先骨モデルのいずれの要素についてもタイムステップΔtが上記最小値より短くならないように、指先骨が分割されて人体モデル30が構成されている。
Thus, in the present embodiment, the
なお付言すれば、Wayne State Universityが人体の詳細な頭部モデルを開発したことが知られているが、その頭部モデルのタイムステップは1.0x10−7秒であり、車両モデルと組合わせてシミュレーション解析を行う場合に特に、実用性が不足すると予測される。 In addition, it is known that Wayne State University has developed a detailed head model of the human body, but the time step of the head model is 1.0 × 10 −7 seconds, combined with the vehicle model. It is predicted that the practicality will be insufficient, especially when performing simulation analysis.
3.人体モデル30の関節部の構造について
3. About the structure of the joint part of the
本実施形態においては、人体の関節部が、そこに現実に存在する靭帯、腱等の結合組織が少なくとも力学的特性に関して忠実に表現されるようにモデル化されることにより、人体モデル30が構成されている。
In the present embodiment, the
図5には、人体モデル30のうち、人体の左右の脚のいずれかの膝関節部に対応する部分(以下、「膝関節部モデル」という)が一例として拡大して斜視図で示されている。この膝関節部モデルは、人体の膝関節部を構成する複数の骨と、靭帯、腱等の結合組織とが再現されるように構成されている。同図においては、膝関節部モデルが、説明の便宜上、皮膚および脂肪が取り除かれて骨、靭帯、腱等が見えるように示されている。
FIG. 5 is an enlarged perspective view of a portion of the
したがって、本実施形態によれば、人体のすべての関節部の実際の応力ー歪み状態を、現実のすべての関節部を機械的なジョイント要素としてモデル化した場合より正確に再現することができる。その結果、人体のすべての関節部の変形状態を従来モデルより正確に再現可能となる。 Therefore, according to the present embodiment, the actual stress-strain state of all joint portions of the human body can be reproduced more accurately than when all actual joint portions are modeled as mechanical joint elements. As a result, the deformation state of all joints of the human body can be reproduced more accurately than the conventional model.
人体には、それの関節において互いに結合される複数の骨がそのまわりに運動させられる運動軸を少なくとも1つ有するとともに、その運動軸の位置がそれら複数の骨の相対運動に応じて変化させられる運動軸可変関節部が存在する。このような運動軸可変関節部の一例は、上述の膝関節部である。 The human body has at least one motion axis around which a plurality of bones coupled to each other at its joint are moved, and the position of the motion axis is changed according to the relative motion of the plurality of bones There is a variable axis joint. An example of such a motion axis variable joint is the above-described knee joint.
そして、本実施形態においては、その運動軸可変関節部を、解剖学的に等価な構造を採用することによってそれの運動軸の位置が変化させられるように表現するとともにその運動軸可変関節部に存在する結合組織の力学的特性を表現するようにモデル化することにより、人体モデル30が構成されている。
In this embodiment, the motion axis variable joint is expressed such that the position of the motion axis can be changed by adopting an anatomically equivalent structure, and the motion axis variable joint is The
したがって、本実施形態によれば、運動軸可変関節部が力学的特性および機構学的特性の双方に関して忠実にモデル化され、その結果、その運動軸可変関節部の変形および運動を従来モデルより精度よく解析することが可能となっている。 Therefore, according to the present embodiment, the motion axis variable joint portion is faithfully modeled with respect to both mechanical characteristics and mechanical characteristics, and as a result, the deformation and motion of the motion axis variable joint portion are more accurate than the conventional model. It is possible to analyze well.
さらに、本実施形態においては、人体モデル30を用いることにより、人体全身の挙動の解析と関節部を含む人体のすべての部位の変形状態の解析とが行われる。
Furthermore, in the present embodiment, by using the
したがって、本実施形態によれば、複数種類の解析が同じ人体モデル30を用いて行うことが可能となるため、人体の挙動の解析と人体の変形状態の解析とにかかるシミュレーション用コンピュータ12の計算時間を容易に短縮可能となる。
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to perform a plurality of types of analysis using the same
4.人体モデル30のうち人体の胸腹部に対応する部分について
4). About the portion corresponding to the chest and abdomen of the
従来の人体モデルにおいては、人体の内臓全体の変形状態が、最大たわみ、最大たわみ速度、粘性基準(すなわち、たわみとたわみ速度との積)というようなマクロ的な物理量を用いることにより、再現されて評価される。そのため、この従来の人体モデルでは、各臓器ごとに変形状態を再現して評価することは困難である。 In the conventional human body model, the deformation state of the whole internal organs of the human body is reproduced by using macro physical quantities such as maximum deflection, maximum deflection speed, and viscosity standard (that is, product of deflection and deflection speed). Evaluated. Therefore, with this conventional human body model, it is difficult to reproduce and evaluate the deformation state for each organ.
これに対して、本実施形態においては、人体の胸腹部が、そこに現実に存在する複数の臓器が少なくとも変形特性に関して個別に忠実に表現されるようにモデル化されることにより、人体モデル30が構成されている。
On the other hand, in the present embodiment, the
人間の複数の臓器のうち、車両に外部から衝撃が加わった時における人体の解析において人体の胸腹部の変形状態を評価する際に評価することが特に重要であるものは、脾臓と肝臓とである。したがって、本実施形態においては、少なくとも脾臓と肝臓とに関し、人体が忠実にモデル化された人体モデル30が構成されている。図6には、脾臓モデル35aが正面図と平面図とで表されており、図7には、脾臓モデル35aの妥当性を検証するためにツールを脾臓モデル35aに突き当てる動的変形試験の内容が正面図と斜視図とで表されている。また、図8には、肝臓モデル35bが正面図と平面図とで表されており、図9には、肝臓モデル35bの妥当性を検証するためにツールを肝臓モデル35bに突き当てる動的変形試験の内容が斜視図で表されている。
Among human organs, what is particularly important when evaluating the deformation state of the human thorax in the human body analysis when an external impact is applied to the vehicle is the spleen and liver. is there. Therefore, in the present embodiment, the
したがって、本実施形態によれば、人体における各臓器(正確には、人体の胸腹部の変形状態を評価する際に個別に評価することが重要な各臓器)が個別にモデル化されているため、各臓器ごとに変形状態を解析し、評価することが可能となる。 Therefore, according to the present embodiment, each organ in the human body (more precisely, each organ that is important to be evaluated individually when evaluating the deformed state of the thorax of the human body) is individually modeled. It is possible to analyze and evaluate the deformation state for each organ.
具体的には、本実施形態においては、ある条件で人体モデル30を用いたシミュレーション解析により、各臓器の荷重、たわみ等の変形状態量を予測することができ、さらに、局部的な応力を別の変形状態量として予測することもできる。各臓器ごとに変形状態量を表すデータをある条件で予測することができるのである。
Specifically, in the present embodiment, deformation state quantities such as loads and deflections of each organ can be predicted by simulation analysis using the
さらに、本実施形態においては、ある条件で予測されたデータに基づき、各臓器ごとに前記超過変形の発生が予測される。具体的には、その予測されたデータと、人体の各臓器の耐変形値(各臓器に超過変形が生じた場合に所定の変形状態量が超えることとなる値)とが互いに比較され、その予測されたデータが耐変形値を超えた場合に、該当する臓器に超過変形が発生したと予測される。 Furthermore, in the present embodiment, the occurrence of excessive deformation is predicted for each organ based on data predicted under a certain condition. Specifically, the predicted data and the anti-deformation value of each organ of the human body (the value that the predetermined deformation state quantity exceeds when each organ is excessively deformed) are compared with each other. When the predicted data exceeds the deformation resistance value, it is predicted that excessive deformation has occurred in the corresponding organ.
ここに、ある臓器に超過変形が発生したと予測した事実は、シミュレーション用コンピュータ12がモニタ22上で文字、記号等、表意手段によってユーザに知らせることが可能であるが、例えば、モニタ22上で、該当する臓器モデルの色を変化させることによって感覚的にユーザに知らせることも可能である。
Here, the fact that it is predicted that excessive deformation has occurred in a certain organ can be notified to the user by means of ideographic means such as letters and symbols on the
本実施形態においては、上述の各臓器の耐変形値が、過去の文献において報告された値を用いたり、人体の現実の各臓器を食用動物の臓器で代用することにより予め決定された。後者の場合、具体的には、各臓器の耐変形値は、その代用臓器の切片レベルでの引張・圧縮試験を行い、その切片の変形状態を評価することと、その代用臓器全体の臓器レベルでの動的変形試験を行い、その代用臓器の変形状態を評価することとの共同により、予め決定された。 In the present embodiment, the above-mentioned deformation resistance value of each organ is determined in advance by using a value reported in a past document or by substituting an actual organ of a human body with an organ of a food animal. In the latter case, specifically, the anti-deformation value of each organ is determined by conducting a tensile / compression test at the section level of the substitute organ, evaluating the deformation state of the section, and the organ level of the entire substitute organ. The dynamic deformation test was performed in advance, and the joint deformation was evaluated in advance by evaluating the deformation state of the substitute organ.
5.人体モデル30における要素のタイプについて
5). About element types in
人体モデル30を構成する各要素のタイプは、形状に関し、1次元要素と、2次元要素と、3次元要素とに分類される。
The type of each element constituting the
1次元要素は、長さは有するが太さは有しないとともに、それの長手方向において伸び時にも縮み時にも反力を生じさせるバー要素である。このバー要素は、それの長手方向において引張力も圧縮力も生じさせる要素なのである。 The one-dimensional element is a bar element that has a length but does not have a thickness, and generates a reaction force at the time of expansion and contraction in the longitudinal direction thereof. This bar element is an element that produces both tensile and compressive forces in its longitudinal direction.
2次元要素は、面は有するが厚さを有しない要素であり、板要素と膜要素とに分類される。板要素は、それの面内方向において引張力も圧縮力も生じさせる2次元要素である。これに対して、膜要素は、それの面内方向において引張力は生じさせるが圧縮力は生じさせない2次元要素である。 The two-dimensional element is an element having a surface but not a thickness, and is classified into a plate element and a film element. A plate element is a two-dimensional element that produces both tensile and compressive forces in its in-plane direction. On the other hand, the membrane element is a two-dimensional element that generates a tensile force in the in-plane direction but does not generate a compressive force.
3次元要素は、ソリッド要素であり、あらゆる方向において引張力も圧縮力も生じさせる。 A three-dimensional element is a solid element that generates tensile and compressive forces in all directions.
人体の各部位を複数の要素に分割してモデル化するに際し、分割する各要素のタイプをいずれに選択するかは、人体モデル30を用いたシミュレーションの計算時間および計算精度との関係で重要な問題である。
When modeling each part of the human body by dividing it into a plurality of elements, it is important to select the type of each element to be divided in relation to the calculation time and calculation accuracy of the simulation using the
人体における靭帯は、それの構造の観点から少なくとも2種類に分類される。複数の骨を互いに連結する連結部分以外の部分においてそれら骨とも人体の他の要素、例えば、他の骨、他の靭帯等とも接触しない靭帯、すなわち、単に複数の骨を互いに連結する非接触型靭帯と、上記連結部分以外の部分においてそれら骨または上記他の要素と接触する靭帯、すなわち、連結部分以外の部位に接触領域を有する接触型靭帯とに分類されるのである。 The ligaments in the human body are classified into at least two types from the viewpoint of their structure. A ligament that does not contact with other elements of the human body, for example, other bones, other ligaments, etc., in a portion other than a connecting portion that connects a plurality of bones to each other, that is, a non-contact type that simply connects a plurality of bones to each other They are classified into ligaments and ligaments that come into contact with these bones or other elements in portions other than the connecting portion, that is, contact type ligaments having a contact region in a portion other than the connecting portion.
一方、靭帯をバー要素でモデル化する第1の手法と2次元要素でモデル化する第2の手法とを互いに比較すると、第1の手法には、モデル化を効率よく行い得るという利点があるが、前記接触型靭帯の接触状態を表現することができないという欠点がある。その接触は現実には、靭帯が人体の他の要素に面で接触することによって行われるにもかかわらず、靭帯をバー要素でモデル化する場合には、バー要素が人体モデル30の他の要素に線で局部的に接触することによって行われることとなり、その結果、その局部的接触によって現実より大きな力がその他の要素に加えられることとなってしまうからである。
On the other hand, when the first method for modeling the ligament with the bar element and the second method for modeling with the two-dimensional element are compared with each other, the first method has an advantage that the modeling can be performed efficiently. However, there is a drawback that the contact state of the contact-type ligament cannot be expressed. In reality, when the ligament is modeled with a bar element, the bar element is the other element of the
これに対して、第2の手法は、モデル化の効率の点では第1の手法に劣るが、靭帯を表現する2次元要素が人体モデル30の他の要素に面で接触することになるため、前記接触型靭帯の接触状態を正確に表現することができる。
In contrast, the second method is inferior to the first method in terms of modeling efficiency, but a two-dimensional element representing a ligament comes into contact with other elements of the
靭帯は、それの長手方向において伸び時には反力を生じさせるが縮み時には座屈して反力を生じさせないものである。したがって、靭帯をモデル化する2次元要素は、板要素ではなく、膜要素であることが、靭帯を精度よく再現するために望ましい。 A ligament is one that produces a reaction force when stretched in the longitudinal direction thereof but buckles when contracted and does not produce a reaction force. Therefore, in order to accurately reproduce the ligament, it is desirable that the two-dimensional element that models the ligament is not a plate element but a membrane element.
そこで、本実施形態においては、前記非接触型靭帯はバー要素でモデル化されるのに対し、前記接触型靭帯は膜要素でモデル化されている。このことは、人体の腱をモデル化する際にも当てはまる。 Therefore, in the present embodiment, the non-contact type ligament is modeled by a bar element, whereas the contact type ligament is modeled by a film element. This is also true when modeling human tendons.
具体的に説明すれば、例えば、図5に示すように、膝の靭帯においては、内側側副靭帯および外側側副靭帯はそれぞれ、骨同士を互いに連結するとともに、大腿骨等に接触している。この接触状態を表現することは、人体の挙動をシミュレーションする際に重要なことであり、よって、それら内側側副靭帯および外側側副靭帯はそれぞれ、バー要素ではなく、膜要素でモデル化されている。 Specifically, for example, as shown in FIG. 5, in the ligament of the knee, the medial collateral ligament and the lateral collateral ligament connect the bones to each other and are in contact with the femur and the like. . Representing this contact state is important when simulating the behavior of the human body, so that the medial collateral ligament and lateral collateral ligament are each modeled by membrane elements rather than bar elements. Yes.
また、同図に示すように、前十字靭帯と後十字靭帯とは、相互に接触しているため、内側側副靭帯および外側側副靭帯と同様に、バー要素ではなく、膜要素でモデル化されている。 Also, as shown in the figure, since the anterior cruciate ligament and the posterior cruciate ligament are in contact with each other, they are modeled with a membrane element, not a bar element, like the inner collateral ligament and the outer collateral ligament. Has been.
これに対し、例えば、胸椎と肋骨との間における肋骨頭関節は、人体の他の要素に接触することはないため、それをまたぐ靭帯は、バー要素でモデル化されており、モデル化作業の高効率化が優先されている。その靭帯は、それの長手方向において引張力しか生じさせない点で、長手方向において引張力も圧縮力も生じさせるバー要素とは異なるが、その肋骨頭関節は、ほとんど動かない関節であり、それの挙動解析に高い精度が要求されない。そのため、本実施形態においては、その肋骨頭関節をまたぐ靭帯がバー要素でモデル化されているのである。 On the other hand, for example, the radial head joint between the thoracic vertebra and the rib does not come into contact with other elements of the human body, so the ligament straddling it is modeled with a bar element, High efficiency is a priority. The ligament is different from a bar element that produces both tensile and compressive forces in the longitudinal direction in that it only produces a tensile force in its longitudinal direction, but its radial head joint is a joint that hardly moves, and its behavioral analysis High accuracy is not required. Therefore, in this embodiment, the ligament straddling the radial head joint is modeled by a bar element.
骨全体は、それの表層が硬い皮質骨を含むように構成される。その皮質骨は、板要素でモデル化することもソリッド要素でモデル化することも可能である。一方、この皮質骨の厚さは、4[mm]以下である。そして、この皮質骨に厚さが3.5[mm]より薄い部分が存在するにもかかわらず、この皮質骨をソリッド要素でモデル化した場合には、ソリッド要素の代表長さLがそれの前記最小値、すなわち、3.5[mm]より短いソリッド要素が生成されてしまう。前記タイムステップΔtの最小値を満たす代表長さLの最小値を満たさないソリッド要素が生成されてしまうのである。 The entire bone is configured such that its surface layer contains hard cortical bone. The cortical bone can be modeled with plate elements or solid elements. On the other hand, the thickness of this cortical bone is 4 [mm] or less. When the cortical bone is modeled as a solid element even though the cortical bone has a thickness of less than 3.5 mm, the representative length L of the solid element is equal to the cortical bone. A solid element shorter than the minimum value, that is, 3.5 [mm] is generated. A solid element that does not satisfy the minimum value of the representative length L that satisfies the minimum value of the time step Δt is generated.
そこで、本実施形態においては、皮質骨が、ソリッド要素ではなく、板要素でモデル化され、それにより、タイムステップΔtの最小値が満たされるようになっている。皮質骨が膜要素ではなく板要素でモデル化されているのは、皮質骨は、それの長手方向において伸び時にも縮み時にも反力を生じさせるものであるからである。 Therefore, in the present embodiment, the cortical bone is modeled not by a solid element but by a plate element, so that the minimum value of the time step Δt is satisfied. The reason why cortical bone is modeled by a plate element rather than a membrane element is that cortical bone generates a reaction force when it is stretched and contracted in its longitudinal direction.
これに対して、本実施形態においては、骨の内部の海綿骨は、ソリッド要素によりモデル化されている。 In contrast, in the present embodiment, the cancellous bone inside the bone is modeled by a solid element.
6.人体モデル30におけるソリッド要素の面数について
6). Number of faces of solid elements in
人体モデル30におけるソリッド要素は、それの表面を構成する面の数によって分類される。この面数も、要素のタイプと同様に、人体モデル30を用いたシミュレーションの計算精度および計算時間に影響を及ぼす。
Solid elements in the
ソリッド要素については、形状が四面体である場合、五面体である場合、および六面体である場合が存在する。そして、形状が四面体である場合には、シミュレーションにより計算される応力分布等の精度が不足する傾向があることが知られている。その精度不足を解消するためには、形状が四面体であるソリッド要素を小さくして人体モデル30の要素数を多くしなければならないが、このようにすると、前記タイムステップΔtの最小値が満たされなくなる可能性がある。
For solid elements, there are cases where the shape is a tetrahedron, a pentahedron, and a hexahedron. And when a shape is a tetrahedron, it is known that there exists a tendency for accuracy, such as stress distribution calculated by simulation, to be insufficient. In order to eliminate the lack of accuracy, it is necessary to reduce the number of elements of the
これに対して、ソリッド要素の形状が六面体である場合には、シミュレーションによる計算精度を容易に確保し得るとともに、ソリッド要素をあえて小さくせずに済むため、前記タイムステップΔtの最小値を容易に満たすことが可能となって、シミュレーションによる計算時間の増加を容易に抑制することも可能となる。 On the other hand, when the shape of the solid element is a hexahedron, the calculation accuracy by simulation can be easily ensured and the solid element does not have to be made small. Therefore, the minimum value of the time step Δt can be easily set. It is possible to satisfy this, and it is also possible to easily suppress an increase in calculation time by simulation.
そこで、本実施形態においては、人体全身につき、基本的に、ソリッド要素の形状が六面体となるようにモデル化されている。特に、骨については、四面体であるソリッド要素を一切用いていない。五面体であるソリッド要素は用いている。 Therefore, in this embodiment, the whole human body is basically modeled so that the shape of the solid element is a hexahedron. In particular, no solid elements that are tetrahedrons are used for bones. Solid elements that are pentahedrons are used.
7.人体モデル30における要素の形状について
7). About the shape of the element in the
人体モデル30における要素が2次元要素またはソリッド要素である場合には、その要素に平面的または立体的な形状が存在する。この形状も、要素の面数およびタイプと同様に、人体モデル30を用いたシミュレーションの計算精度および計算時間に影響を及ぼす。
When an element in the
例えば、六面体であるソリッド要素については、それの立体形状が立方体に近いほど、人体モデル30を用いたシミュレーションの計算精度および計算時間が改善される。また、四角形である2次元要素については、それの平面形状が正方形に近いほど、人体モデル30を用いたシミュレーションの計算精度および計算時間が改善される。
For example, for a solid element that is a hexahedron, the calculation accuracy and calculation time of the simulation using the
そこで、本実施形態においては、人体が複数の要素に、六面体であるソリッド要素についてはそれの立体形状ができる限り立方体に近づき、四角形である2次元要素についてはそれの平面形状ができる限り正方形に近づくように分割されることにより、人体モデル30が作成されている。
Therefore, in this embodiment, the human body approaches a plurality of elements, the solid shape of a hexahedron approaches the cube as much as possible, and the two-dimensional element that is a quadrangle has a planar shape as square as possible. The
8.人体モデル30における要素の分割手法について
8). About element division method in
人体モデル30を作成する際、一般に、人体において他の部位から物理的に独立した独立部位に注目するとともに、その独立部位の全体を複数の要素に分割する。しかし、この一般的な分割手法によると、シミュレーションによる計算精度の観点やタイムステップΔtの実際値の観点から適当でない要素が存在する場合がある。そのような場合とは、その独立部位の形状が複雑で、位置によって形状が大きく変化する場合である。
When creating the
例えば、骨盤において外側に張り出している寛骨の一部である腸骨は、上部と下部とにおいて約90度大きくねじれている。また、寛骨は、複雑な形状を有して物理的に一体を成しているが、解剖学上、腸骨と坐骨と恥骨とに分割される。それら腸骨と坐骨と恥骨とは、相互にねじれている。そのため、その寛骨の全体を複数の要素に分割したのでは、寛骨につき、シミュレーションによる良好な計算精度および計算時間を実現することができない。 For example, the iliac bone, which is the part of the hipbone that protrudes outward in the pelvis, is twisted by about 90 degrees between the upper part and the lower part. Further, the hipbone has a complicated shape and is physically integrated, but is divided into an iliac bone, a sciatic bone, and a pubic bone in terms of anatomy. The iliac, sciatic, and pubic bones are twisted together. Therefore, if the entire hipbone is divided into a plurality of elements, it is impossible to achieve good calculation accuracy and calculation time by simulation for the hipbone.
そこで、本実施形態においては、人体のうち、物理的に独立した独立部位がそれの位置によって形状が大きく変化する場合には、まず、その独立部位がいくつかの分割面により複数の小部位に、各小部位については位置によって形状ができる限り変化しないように分割される。次に、そのようにして分割された各小部位ごとに、他の小部位から独立して、複数の要素に分割される。その結果、各小部位ごと、それを構成する複数の要素から成る1つの要素群が生成されることになる。その後、同じ部位から分割された複数の小部位についての複数の要素群が、上記分割面において互いに接合される。 Therefore, in the present embodiment, when the shape of a physically independent independent part of the human body changes greatly depending on its position, first, the independent part is divided into a plurality of small parts by several dividing surfaces. Each of the small parts is divided so that the shape does not change as much as possible according to the position. Next, each small part thus divided is divided into a plurality of elements independently of other small parts. As a result, one element group consisting of a plurality of elements constituting each small part is generated. Thereafter, a plurality of element groups for a plurality of small parts divided from the same part are joined to each other on the dividing surface.
ところで、同じ部位の各小部位ごとに互いに独立して要素分割が行われる結果、上記分割面上においては、本体であれば互いに一致すべき2個の節点が互いに一致しないことがあり得る。それら2個の節点は、その分割面を境界として互いに隣接した複数の小部位に属する。 By the way, as a result of element division being performed independently for each small part of the same part, two nodes that should coincide with each other on the division surface may not coincide with each other. These two nodes belong to a plurality of small parts adjacent to each other with the dividing plane as a boundary.
本実施形態においては、例えば、図10に示すように、腸骨50が分割面52により上側小部位54と下側小部位56とに分割された後、各小部位54,56ごとに要素分割が互いに独立して行われた。各小部位54,56については、個々の形状上の特徴を考慮して要素分割が行われたため、その分割面52において互いに接する複数の要素が、その分割面52上においてすべての節点を共有するわけではない。
In the present embodiment, for example, as shown in FIG. 10, after the
また、同図に示すように、腸骨50(または下側小部位56)と坐骨58とが分割面62により互いに分割された後、それら腸骨50(または下側小部位56)と坐骨58とについてそれぞれ、互いに独立して要素分割が行われた。そのため、分割面60上においては、それら腸骨50(または下側小部位56)と坐骨58とによって共有されない節点が存在する。
In addition, as shown in the figure, after the iliac 50 (or the lower small portion 56) and the
上述の分割面52,62はいずれも、現実には存在せず、要素分割を最適化するために導入されたものである。その結果、各分割面52,62を境界にして互いに接する複数の要素により共有されない節点が、前述の一般的分割手法を採用した場合には存在しないにもかかわらず、存在してしまう。それにもかかわらず、このようにして作成された人体モデル30を用いてシミュレーションにより人体各部位の応力解析を行うと、分割面の導入に起因した要素の不連続性が原因で、その解析精度が低下してしまう。
None of the above-described dividing surfaces 52 and 62 actually exist, and are introduced to optimize element division. As a result, there is a node that is not shared by a plurality of elements that are in contact with each other with each of the dividing surfaces 52 and 62 as a boundary even though it is not present when the above-described general dividing method is employed. Nevertheless, when the stress analysis of each part of the human body is performed by simulation using the
そこで、本実施形態においては、その要素不連続性という問題による影響が、シミュレーション解析結果に現れることが抑制されるように、本来であれば複数の要素によって共有される複数の節点については、各要素に力または強制変位が加えられても、相対位置関係が変化しないように、シミュレーション解析の初期条件が設定された。 Therefore, in the present embodiment, in order to suppress the influence due to the problem of the element discontinuity from appearing in the simulation analysis result, a plurality of nodes that are originally shared by a plurality of elements are The initial conditions for simulation analysis were set so that the relative positional relationship did not change even when force or forced displacement was applied to the element.
したがって、本実施形態によれば、要素の不連続性に起因した解析精度低下を抑制しつつ、要素形状の最適化を図り得る。 Therefore, according to the present embodiment, it is possible to optimize the element shape while suppressing a decrease in analysis accuracy due to the discontinuity of the element.
なお付言すれば、位置によって形状が大きく変化する部位は他にも存在し、例えば、下肢を覆う軟組織(皮膚および肉)である。本実施形態においては、その軟組織が、大腿骨に対応する小部位と、膝に対応する小部位とに分割された後、各小部位ごとに要素分割が行われ、その後、要素の不連続性に起因した解析精度低下が抑制されるように、シミュレーション解析の初期条件が設定された。 In addition, in other words, there are other parts where the shape greatly changes depending on the position, for example, soft tissue (skin and meat) covering the lower limbs. In the present embodiment, the soft tissue is divided into a small part corresponding to the femur and a small part corresponding to the knee, and then element division is performed for each small part. The initial conditions for the simulation analysis were set so that the degradation of the analysis accuracy due to this was suppressed.
9.人体モデル30における要素の取付手法について
9. About the element attachment method in the
人体の筋肉、腱または靭帯である結合組織として、関節をまたぐとともに、両端において、互いに折れ曲がり可能な2本の骨にそれぞれ取り付けられ、それにより、それら2本の骨を互いに連結し、かつ、両端以外の部位において、それら2本の骨のいずれかに取り付けられる形式の結合組織が存在する。 As a connective tissue that is a muscle, tendon or ligament of the human body, it is attached to two bones that cross over the joint and can be folded at both ends, thereby connecting the two bones to each other and There is a type of connective tissue that is attached to either of these two bones at other sites.
そのような結合組織の一例は、膝関節をまたぐとともに、下肢において踵骨から延びるアキレス腱とそれから延びる下腿三頭筋肉との複合体である。その下腿三頭筋肉は、アキレス腱と結合する端部とは反対側の端部において、脛骨の近位端の近傍(膝側)と大腿骨の遠位端の近傍(膝側)とに取り付けられている。 An example of such a connective tissue is a complex of an Achilles tendon that extends from the ribs in the lower limbs and the triceps surae muscle that extends from the knee joints. The triceps surae muscle is attached near the proximal end of the tibia (knee side) and near the distal end of the femur (knee side) at the end opposite to the end that joins the Achilles tendon. ing.
このような結合組織を1本のバー要素でモデル化するに際し、その結合組織のうち、その結合組織により互いに連結される2本の骨との2個の主要取付点は考慮するが、残りの取付点は考慮しないで、バー要素を構成することが考えられる。この場合、バー要素は、それら2個の主要取付点の間を真直ぐな経路で延びるように構成されることになる。 In modeling such a connective tissue with a single bar element, two main attachment points of the connective tissue with the two bones connected to each other by the connective tissue are considered, but the remaining It is conceivable to construct the bar element without considering the attachment points. In this case, the bar element will be configured to extend in a straight path between the two main attachment points.
しかし、その結合組織によって互いに連結される2本の骨の成す角度が大きく変化するように人体が動くことが予定されている場合には、その角度の変化の前後で、その結合組織がモデル化されたバー要素が通過する経路が大きく変化する。 However, if the human body is scheduled to move so that the angle formed by the two bones connected to each other by the connective tissue changes significantly, the connective tissue is modeled before and after the change in angle. The path through which the bar element passes changes greatly.
例えば、そのような結合組織が、上述のアキレス腱と下腿三頭筋肉との複合体である場合であって、その複合体がバー要素66によりモデル化される場合には、膝が伸ばされている状態では、図11に示すように、そのバー要素66が大腿骨68と脛骨70とに沿ってほぼ真直ぐに延びるのに対し、膝が折られている状態では、図12に示すように、それら大腿骨68と脛骨70とから離れた経路に沿って延びることになる。その結果、バー要素66の長さが、膝が伸ばされている状態と、折られている状態で大きく異なる。
For example, if such connective tissue is a composite of the above-mentioned Achilles tendon and triceps surae muscle, and the composite is modeled by a
このような長さの違いは、バー要素66が現実の上記複合体の運動特性を正確に表現することに対して障害となる。このことを具体的に説明すれば、例えば、バー要素66に弾性限度があるため、膝が伸ばされている状態でバー要素66が弾性限度を超えないようにそのバー要素66を設定したとすると、膝が折られている状態で、バー要素66に、現実には存在しない弛みが発生してしまう。これに対して、膝が折られている状態でバー要素66が弾性限度を超えないようにそのバー要素66を設定したとすると、膝が伸ばされている状態で、バー要素66に、現実には存在しない強い伸びが発生してしまう。
Such a difference in length is an obstacle for the
したがって、バー要素66の経路は、膝が伸ばされている状態であるか折られている状態であるかを問わず、図13および図14に示すように、大腿骨68と脛骨70とに沿って延びるようにすることが、上記複合体の運動特性を正確に表現するために望ましい。
Therefore, the path of the
しかし、バー要素66の経路を最適化するのみでは不十分である。例えば、経路の最適化は、上記複合体を、踵骨72との取付点(下端取付点LAP)と、大腿骨68との取付点(上端取付点UAP)と、脛骨70との取付点(中間取付点MAP)とにおいてそれぞれ、それら踵骨72と大腿骨68と脛骨70とに固着させることによって実現可能である。しかし、このように複合体を踵骨72と大腿骨68と脛骨70とに固着させたのでは、複合体と、踵骨72と大腿骨68と脛骨70とのそれぞれとの間における力の伝達特性が現実のものとは異なってしまう。複合体と脛骨70との現実の取付は、それらの長手方向における相対変位は許容する一方で、複合体が脛骨70から遠ざかる方向における相対変位を抑制するように行われているからである。
However, simply optimizing the path of the
そこで、本実施形態においては、バー要素66が、下端取付点LAPと上端取付点UAPとにおいては、踵骨72と大腿骨68とに固着されるが、中間取付点MAPにおいては、脛骨70からの離間が阻止される一方で、その脛骨70に沿った方向における相対変位が適切な変位抵抗のもとに許容されるようにされている。
Therefore, in this embodiment, the
図15および図16には、バー要素66の、中間取付点MAPにおける脛骨70との取付結合が、理解を容易にするため、比喩的に滑車とロープとの組合せを用いることにより、示されている。バー要素66はロープとして、そのバー要素66と脛骨70との取付は回転抵抗を有する滑車としてそれぞれ比喩的に表現されているのである。
15 and 16, the attachment coupling of the
したがって、本実施形態においては、バー要素66の経路は、膝が曲げられている状態であっても、大腿骨68と脛骨70とに沿って延びるように規定されると同時に、バー要素66と脛骨70との間における力の伝達が、バー要素66が脛骨70に、その脛骨70の延びる方向には力を伝達しないように実現される。その結果、バー要素66の経路と、力の伝達とが、現実の人体を精度よく再現することとなる。
Therefore, in this embodiment, the path of the
図17、図18および図19には、人体モデル30の下肢が皮膚と筋肉とを省略した状態で、側面図と背面図と拡大された部分斜視図とによりそれぞれ示されている。
17, 18, and 19, the lower limb of the
前記制御用コンピュータシステム16(以下、説明の便宜上、「制御用コンピュータ」という。)は、図1に示すように、シミュレーション用コンピュータ12と設計支援コンピュータ14とに接続されている。この制御用コンピュータ16も設計者により使用される。具体的には、設計者が設計支援コンピュータ14により、車両の複数の構成要素のうち、その構造が、車両に外部から衝撃が加わった時に乗員の各部位に生ずる変形の程度に影響を及ぼすものを設計する際に使用される。この使用により、設計者は、ある条件で車両に外部から衝撃が加わった時に予想される乗員の挙動および変形の程度を考慮しつつ、車両の、外部からの衝撃に対する安全性の高い車両を設計することが支援される。
The control computer system 16 (hereinafter referred to as “control computer” for convenience of description) is connected to a
この制御用コンピュータ16は、それの記憶装置36が読込みを行う記録媒体38において人体耐性情報を記憶している。人体耐性情報は、人体の各部位ごとに、各部位に前記超過変形が発生する可能性(以下、単に「変形発生可能性」という。)があるかどうかを判断するための情報である。記録媒体38は、具体的には、各部位に関連付けて、各部位に超過変形が発生するときに各部位が受ける荷重、たわみ等の変形状態量の大きさを閾値として記憶している。また、記録媒体38は、その人体耐性情報を、チャート化された耐性表という形態や、データベースという形態で記憶している。
The
前述のように、本実施形態においては、シミュレーション用コンピュータ12によっても人体の各部位に変形発生可能性があるかどうかが判断される。しかし、制御用コンピュータ16によって行われる判断は、各部位の変形状態量の解析結果と閾値との対比による絶対的な判断である点で、相対的な判断であるシミュレーション用コンピュータ12による判断とは異なる。本実施形態においては、相対的判断によって変形発生可能性ありと判断された部位についてのみ、続いて絶対的判断が行われ、それら2種類の判断において共に、変形発生可能性があると判断された部位のみが最終的に変形発生部位とされるのである。このような意味において、シミュレーション用コンピュータ12から出力される変形発生部位に関する情報は、暫定的なものなのである。
As described above, in this embodiment, whether or not there is a possibility of deformation in each part of the human body is also determined by the
図20には、前記解析・応用システム10において実行される一連の手続きがフローチャートで示されている。
FIG. 20 is a flowchart showing a series of procedures executed in the analysis /
まず、ステップS1において、設計者は、設計支援コンピュータ14を用いることにより、車両に関して初期設計を行う。
First, in step S <b> 1, the designer performs initial design for the vehicle by using the
次に、ステップS2において、設計者は、制御用コンピュータ16を介してシミュレーション用コンピュータ12に、初期設計の評価のためにシミュレーションプログラムを実行させる指令を送信する。この際、そのシミュレーションプログラムによる実行結果が初期設計の内容を反映したものとなるようにするため、設計者は、使用することを希望する人体モデル30を特定するのに必要な情報と、初期設計の所産である設計対象物を表す設計情報とを制御用コンピュータ16に入力するとともに、車両の解析を行う際の乗員環境である解析条件すなわち計算条件を設定する。解析条件は例えば、車両に外力を加えることを想定された障害物の力学的特徴や、車両が障害物に接触する際の車両および乗員の速度である。すなわち、本実施形態においては、解析条件が「予め設定されたシミュレーション解析条件」の一例なのである。
Next, in step S <b> 2, the designer transmits a command for executing a simulation program for evaluation of the initial design to the
続いて、ステップS3において、シミュレーション用コンピュータ12が、設計者により設定された計算条件を受信し、その後、その計算条件下で数値計算を行う。シミュレーション用コンピュータ12は、前述の全身人体モデル30を用い、かつ、有限要素法により、乗員の各部位に発生すると予想される変形状態量と挙動とを計算する。シミュレーション用コンピュータ12は、さらに、その計算結果に基づき、変形発生部位を暫定的に決定する。
Subsequently, in step S3, the
その後、ステップS4において、制御用コンピュータ16が、シミュレーション用コンピュータ12からそれの計算結果を受信する。制御用コンピュータ16は、続いて、その受信した計算結果と、前述の耐性表やデータベースとして記憶されている人体耐性情報とを対比し、暫定的に判断された変形発生部位に本当に変形発生可能性があるかどうかを判断する。
Thereafter, in step S4, the
暫定的に判断された変形発生部位に本当には変形発生可能性がない場合には、ステップS4の判定がYESとなり、以上でこの一連の手続きの一回の実行が終了する。これに対して、暫定的に判断された変形発生部位に本当に変形発生可能性がある場合には、ステップS4の判定がNOとなり、ステップS5に移行する。 If there is no possibility of the occurrence of deformation at the tentatively determined deformation occurrence site, the determination in step S4 is YES, and one execution of this series of procedures is completed. On the other hand, if there is a possibility that the deformation has been tentatively determined, the determination in step S4 is NO, and the process proceeds to step S5.
このステップS5においては、制御用コンピュータ16が、本当に変形発生可能性があると判断された変形発生部位につき、前記記録媒体38に記録されている関係に従い、超過変形発生低減のために設計パラメータを変更するための指針を設計者に対して提示する。記録媒体38に記録されている関係は、人体の各部位と、変更すべき設計パラメータの種類と、その設計パラメータを変更する向きとの関係である。また、設計パラメータは、車両の複数の構成要素のうち、構造が、車両が外部から衝撃を受けた時に乗員の各部位に生ずる変形の程度に影響を及ぼすものの各々につき、少なくとも1個ずつ用意されている。
In step S5, the
その後、ステップS6において、設計者は、制御用コンピュータ16から提示された指針を勘案して、再度設計を行う。この新たな設計の内容の評価は、ステップS2ないしS4において実行される。
Thereafter, in step S6, the designer performs the design again in consideration of the guidelines presented from the
ステップS2ないしS6の実行が繰り返されるうちに、ステップS4において、乗員のいずれの部位についても、発生すると予想される変形が基準を満たしていると判断されれば、一連の設計が終了する。 While the execution of steps S2 to S6 is repeated, if it is determined in step S4 that the deformation expected to occur in any part of the occupant satisfies the standard, the series of designs is completed.
次に、本発明の第2実施形態である人体挙動解析方法を図面に基づいて詳細に説明する。 Next, the human body behavior analysis method according to the second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図21には、この人体挙動解析方法が実行される人体挙動解析・応用システム(以下、単に「解析・応用システム」という。)100が示されている。この解析・応用システム100は、コンピュータ102に入力装置104と出力装置106とが接続されることによって構成されている。
FIG. 21 shows a human body behavior analysis / application system (hereinafter simply referred to as “analysis / application system”) 100 in which the human body behavior analysis method is executed. The analysis /
コンピュータ102は、よく知られているように、プロセシング・ユニット(同図においては「PU」で表す。)110とストレージ112とがバス114により互いに接続されることによって構成されている。ストレージ112は、ROM,RAM,磁気ディスク,光ディスク等の記録媒体を含むように構成される。このストレージ112には、有限要素モデルである前記人体モデル30を定義するためのデータと、その人体モデル30を用いて人体全身につき、それの各部位の挙動と応力とを解析するFEM解析プログラムとが予め記憶されている。
As is well known, the
入力装置104は、ポインティング・デバイスとしてのマウスおよびキーボードを備えている。出力装置106は、画像を画面上に表示する。ユーザは、必要なデータを入力装置104を介してコンピュータ102に入力する。その入力に応答し、コンピュータ102によるデータ処理結果が出力装置106を介してユーザに可視化して提示される。
The
人間が加減速させられる環境の一例は、加減速させられる自動車に人間が乗車している環境である。別の例は、遊園地などの遊戯施設に設置された遊戯装置によって人間にスリルを感じさせるためにその人間が意図的に加減速させられる環境である。そのような遊戯装置の一例は、遊園地に設置された、上下左右に曲りくねったレールに沿って滑走させられる車であるジェットコースタである。 An example of an environment in which a human is accelerated or decelerated is an environment in which a human is in an automobile that is accelerated or decelerated. Another example is an environment in which a person is intentionally accelerated or decelerated in order to make the person feel a thrill with a game device installed in an amusement facility such as an amusement park. An example of such an amusement device is a roller coaster, which is a car installed on an amusement park that can be slid along a rail that winds up, down, left and right.
この種の遊戯装置においては、人間に与える加減速度を増すほど人間が感じ得るスリルの程度も増すが、その一方で、その加減速が人間の各部位に物理的に与える影響も増す。そのため、遊戯装置による加減速が人間の各部位に物理的に与える影響を評価することが重要となる。特に、遊戯装置がジェットコースタである場合には、遊戯中に人間の頭部が前後または左右に加減速させられるため、人間の複数の部位のうち特に頸部に与えられる影響を評価することが重要である。 In this type of game device, the greater the acceleration / deceleration applied to a human, the greater the thrill that the human can feel, while the influence of the acceleration / deceleration physically on each part of the human also increases. Therefore, it is important to evaluate the physical influence of acceleration / deceleration by the game device on each part of the human body. In particular, when the game machine is a roller coaster, the human head can be accelerated or decelerated back and forth or left and right during the game. is important.
このような事情を背景として、本実施形態においては、ストレージ112にさらに、図21に示すように、遊戯装置開発・評価プログラムも予め記憶されている。この遊戯装置開発・評価プログラムは、人体モデル30と前記FEM解析プログラムとを用いることにより、遊戯装置による遊戯中に人間に物理的な悪影響を与えないように遊戯装置を開発することを支援したり、自らまたは他人が開発した遊戯装置が遊戯中に人間に与えることが予想される物理的な悪影響をシミュレーションによって解析して評価することを支援するためのプログラムである。
Against this background, in the present embodiment, as shown in FIG. 21, a game machine development / evaluation program is also stored in advance in the
図22には、解析・評価の対象がジェットコースタである場合を例にとり、人体モデル30とジェットコースタとの関係が、人体モデル30がジェットコースタの座席に着座させられるとともに人体モデル30がそれの両足部においてジェットコースタのフロア前部に支持されている状態で示されている。同図において矢印は、ジェットコースタに生ずる加速度を示している。図23には、ジェットコースタの加速時に人体モデル30の頸部に生ずる変形挙動が示されている。図24には、その変形が生じている頸部が拡大して示されている。同図には、変形が生じている頸部椎間板がハッチングを付して示されており、その変形状態から頸部椎間板の応力分布が分かる。
FIG. 22 shows an example of the case where the object of analysis / evaluation is a roller coaster. The relationship between the
図25には、前記遊戯装置開発・評価プログラムの内容が概念的にフローチャートで表されている。 FIG. 25 conceptually shows a flowchart of the contents of the game machine development / evaluation program.
この遊戯装置開発・評価プログラムにおいては、まず、ステップS201において、今回の解析・評価の対象である遊戯装置を記述する遊戯装置モデルがコンピュータ102に入力される。遊戯装置モデルには、例えば、人間が着座するための座席を記述する座席モデルや、人間が両足を乗せるためのフロアを記述するフロアモデルが含まれる。
In this game machine development / evaluation program, first, in step S201, a game machine model describing the game machine to be analyzed and evaluated this time is input to the
次に、ステップS202において、遊戯装置の加減速時に人間に生じる力、加減速度等、加減速条件がコンピュータ102に入力される。
Next, in step S <b> 202, acceleration / deceleration conditions such as a force generated on a person at the time of acceleration / deceleration of the game apparatus, acceleration / deceleration, and the like are input to the
続いて、ステップS203において、前記入力された遊戯装置モデルに人体モデル30が組み合わされる。これにより、人体モデル30が遊戯装置モデルに標準的な姿勢で着座させられる。
Subsequently, in step S203, the
その後、ステップS204において、前記入力された加減速条件のもと、人体モデル30に対して前記FEM解析プログラムが実行されることにより、遊戯装置の加減速時に人間の各部位に生じる変形挙動がシミュレーションによって解析される。
After that, in step S204, the FEM analysis program is executed on the
続いて、ステップS205において、そのシミュレーション解析結果に基づき、今回の遊戯装置の性能、すなわち、遊戯中に人間に与える影響が評価される。例えば、遊戯装置による加減速時に人間の頸部の複数の椎間板のいずれにも許容値以上の応力が発生しないか否かが判定され、発生しない場合には、今回の遊戯装置の性能が基準を上回っていると判定される。 Subsequently, in step S205, based on the simulation analysis result, the performance of the current game device, that is, the influence on the human being during the game is evaluated. For example, it is determined whether or not stress exceeding the allowable value is generated in any of a plurality of intervertebral discs of a human neck during acceleration / deceleration by the game device, and if it does not occur, the performance of the current game device is used as a standard. It is determined that the number has exceeded.
今回の遊戯装置の性能が基準を満たさないと判定された場合には、その後、今回の遊戯装置の開発者により、今回の遊戯装置による加減速度の限界値が修正されるか、今回の遊戯装置の構造が最適化されるように設計変更される。 If it is determined that the performance of the current game device does not meet the standards, then the developer of the current game device will modify the limit value of acceleration / deceleration by the current game device, or this game device The design is changed to optimize the structure of
以上で、この遊戯装置開発・評価プログラムの1回の実行が終了する。 This completes one execution of the game machine development / evaluation program.
次に、本発明の第3実施形態である人体挙動解析方法を図面に基づいて詳細に説明する。 Next, a human body behavior analysis method according to a third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図26には、この人体挙動解析方法が実行される人体挙動解析・応用システム(以下、単に「解析・応用システム」という。)150が示されている。この解析・応用システム150は、第2実施形態における解析・応用システム100と同様に、コンピュータ152に入力装置154と出力装置156とが接続されることによって構成されている。このコンピュータ152は、第2実施形態におけるコンピュータ102と同様に、PU160とストレージ162とがバス164により互いに接続されることによって構成されている。
FIG. 26 shows a human body behavior analysis / application system (hereinafter simply referred to as “analysis / application system”) 150 in which this human body behavior analysis method is executed. Similar to the analysis /
そのストレージ162には、第2実施形態におけると同様に、人体モデル30を定義するためのデータと、その人体モデル30を用いて人体の挙動を解析するFEM解析プログラムとが予め記憶されている。
As in the second embodiment, data for defining the
このストレージ162には、さらに、人体モデル30とは別の方式で人体を近似的に表現するモデルとして、単純な複数の要素が単純な複数の関節により互いに連結された機構モデル(すなわち、関節モデル)を定義するためのデータも予め記憶されている。機構モデルの一例が図27に示されている。ストレージ162には、さらに、この機構モデルを用いて人体全身の挙動を解析する機構解析プログラムも予め記憶されている。
The
ここで、人体モデル30およびFEM解析プログラムによるFEM解析手法と、機構モデルおよび機構解析プログラムによる機構解析手法とを互いに比較する。FEM解析手法は、人体全身の挙動と、人体に外部から力または強制的な変位が与えられることに対してその人体の各部位が示す物理的な応答とを忠実に再現できることを利点とするが、コンピュータ152による計算に長時間が必要である。これに対して、機構解析手法は、機構モデルのデータ量が少ないため、人体全身の挙動をコンピュータ152により短時間で解析できることを利点とするが、上述の、人体の各部位が示す物理的な応答を忠実に再現することは不可能である。このように、それらFEM解析手法と機構解析手法とは、一方の利点を他方の欠点とする関係、すなわち、相互に補完し得る関係にあるのである。
Here, the FEM analysis method based on the
人間が物体に衝突した結果、その人間に外部から衝撃が加わったためにその人間の各部位に生ずる応答や負荷をシミュレーションによって正しく解析するために、人間が物体に衝突する直前におけるその人間の各部位における挙動を正しく解析することが重要である場合がある。 Each part of the human just before the person collides with the object in order to correctly analyze the response and load that occurs in each part of the person due to the impact from the outside as a result of the person colliding with the object. It may be important to correctly analyze the behavior at.
人体モデル30は、人間と物体との衝突の前後を問わず、人間全身の挙動をシミュレーションによって精度よく解析することが可能であるが、前述のように、コンピュータ152への負荷が大きいために長い計算時間を必要とする。
Although the
これに対し、前記機構モデルは、人間の各部位が示す物理的な応答を忠実に再現することは不可能であるが、人間が物体に衝突する前の現象を問題にするために、人間の各部位が示す物理的な応答が重要でない条件のもとでは、人間全身の挙動を正しくかつ短時間でシミュレーションによって解析することが可能である
。
On the other hand, although the mechanism model cannot faithfully reproduce the physical response shown by each part of the human body, in order to make the phenomenon before the human collides with the object a problem, Under the condition that the physical response indicated by each part is not important, it is possible to analyze the behavior of the whole human body by simulation in a short time.
一方、人間が物体に衝突した結果、その人間に外部から衝撃が加わってその人間の各部位に応答や負荷が生ずる環境の一例に、運動中に人間が偶然に物体に衝突する環境がある。具体的には、例えば、スポーツとしてサッカーを行っている人間が物体としてのゴールポストに偶然に衝突する環境がある。この環境においては、人間の複数の部位のうち、例えば、頭部がゴールポストに衝突した際にその頭部が受ける傷害の程度をシミュレーションによって解析したり、その傷害の程度を軽減するためにゴールポストに緩衝材が装着されている場合にその緩衝材の緩衝能力を評価したり、その緩衝能力が向上するように緩衝材の材質や構造を改良することが必要となる。 On the other hand, as an example of an environment in which a person collides with an object and an external impact is applied to the person and a response or load is generated in each part of the person, there is an environment in which the person accidentally collides with the object during exercise. Specifically, for example, there is an environment in which a person playing soccer as a sport accidentally collides with a goal post as an object. In this environment, for example, when the head collides with the goal post, the degree of injury received by the head is analyzed by simulation, or the goal is reduced in order to reduce the degree of injury. When a cushioning material is attached to the post, it is necessary to evaluate the cushioning capacity of the cushioning material, or to improve the material and structure of the cushioning material so that the cushioning capacity is improved.
それらの事情を背景とし、本実施形態においては、ストレージ162にさらに、図26に示すように、衝突傷害解析プログラムも予め記憶されている。この衝突傷害解析プログラムは、人体モデル30およびFEM解析プログラムによるFEM解析方式と、機構モデルおよび機構解析プログラムによる機構解析方式とを併用したハイブリッド方式により、人間が物体に衝突した結果、その人間に外部から衝撃が加わってその人間の各部位に生ずる応答や負荷をシミュレーションによって解析するためのプログラムである。
Against this background, in this embodiment, a collision injury analysis program is also stored in advance in the
図27には、解析の対象が、サッカー場に設置されるゴールポストである場合を例にとり、人間がゴールポストに衝突する前におけるその人間の姿勢が機構モデルを用いて示されている。そして、図28には、人間がゴールポストに衝突したことによってその人間の頭部に生ずることが予想される傷害の程度が人体モデル30を用いて示されている。頭部傷害の程度は例えば、頭部に骨折が生じたか否かによって表現され得る。
FIG. 27 shows an example in which the analysis target is a goal post installed on a soccer field, and the posture of the person before the person collides with the goal post is shown using a mechanism model. In FIG. 28, the degree of injury that is expected to occur on the human head due to the person colliding with the goal post is shown using the
図29には、前記衝突傷害解析プログラムの内容が概念的にフローチャートで表されている。 FIG. 29 conceptually shows the contents of the collision injury analysis program in a flowchart.
この衝突傷害解析プログラムにおいては、まず、ステップS301において、人間が衝突することを想定された物体を記述する物体モデルがコンピュータ152に入力される。
In this collision injury analysis program, first, in step S301, an object model describing an object assumed to collide with a human is input to the
次に、ステップS302において、人間を物体に衝突させるための物理的条件がコンピュータ152に入力される。その物理的条件には、例えば、人間が物体に衝突する前においてその人間に生じさせられる移動速度がある。
Next, in step S <b> 302, physical conditions for causing a human to collide with an object are input to the
続いて、ステップS303において、その入力された物理的条件のもと、前記機構モデルに対して機構解析プログラムが実行されることにより、人間が物体に衝突する前におけるその人間の姿勢すなわち衝突前姿勢とその人間の運動を記述する物理量とがシミュレーションによって解析される。その物理量には、例えば、人間の各部位の速度および加速度がある。 Subsequently, in step S303, the mechanism analysis program is executed on the mechanism model under the input physical condition, so that the human posture before the human collides with the object, that is, the posture before the collision. And the physical quantity describing the human movement are analyzed by simulation. The physical quantity includes, for example, the speed and acceleration of each human part.
その後、ステップS304において、それら解析された衝突前姿勢と物理量とに基づき、人体モデル30に対して前記FEM解析プログラムが実行されることにより、人間が物体に衝突する瞬間におけるその人間の姿勢および運動状態が解析され、それが衝突条件として決定される。
Thereafter, in step S304, the FEM analysis program is executed on the
続いて、ステップS305において、その決定された衝突条件のもと、人体モデル30に対してFEM解析プログラムが実行されることにより、人間が物体に衝突したときにその人間の各部位に生ずる傷害の程度がシミュレーションによって解析される。図28においては、人間の頭部が物体に衝突することによってその頭部が骨折する様子が示されている。頭部が骨折するか否かは、例えば、頭部が物体に衝突したときにその頭部に生ずる応力が限度を超えたか否かによって判定される。
Subsequently, in step S305, an FEM analysis program is executed on the
以上で、この衝突傷害解析プログラムの1回の実行が終了する。 This completes one execution of the collision injury analysis program.
この衝突傷害解析プログラムの実行により得られるシミュレーション解析結果は、人間との衝突が想定される物体に装着される緩衝材の性能を評価したり、その緩衝材の装着位置を最適化したり、その緩衝材の構造を最適化する際に有用である。 The simulation analysis results obtained by executing this collision injury analysis program evaluate the performance of the cushioning material attached to the object that is expected to collide with humans, optimize the mounting position of the cushioning material, This is useful in optimizing the structure of the material.
次に、本発明の第4実施形態である人体挙動解析方法を図面に基づいて詳細に説明する。 Next, a human body behavior analysis method according to a fourth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
この人体挙動解析方法が実行される人体挙動解析・応用システムは、第3実施形態における解析・応用システム150と基本的な構成が共通するため、詳細な説明を省略する。
Since the human body behavior analysis / application system in which this human body behavior analysis method is executed has the same basic configuration as the analysis /
前述のように、人間が物体に衝突した結果、その人間に外部から衝撃が加わってその人間の各部位に応答や負荷が生ずる環境の一例に、運動中に人間が偶然に物体に衝突する環境があり、第3実施形態においては、運動中に人間が偶然に物体に衝突したときにその人間の各部位に生ずる応答がシミュレーションによって解析される。 As described above, an example of an environment in which a person collides with an object and an external impact is applied to the person, causing a response or load on each part of the person. In the third embodiment, when a person accidentally collides with an object during movement, a response generated in each part of the person is analyzed by simulation.
これに対して、本実施形態においては、別の環境として、人間が突然転倒して地面や床に衝突する環境に注目されている。人間が突然転倒する理由については十分に解明されているとはいえないようであるが、特に高齢者にあっては、突然の転倒によって腰部(大腿部を含む)を骨折する事例がよく報告されている。その骨折を予防するために人間に保護具を装着することが考えられるが、その保護具を装着する部位やその保護具の構造を最適化するためには、人間が何らかの理由によって転倒して地面等に衝突する際にその人間に傷害が生ずる部位やその傷害の程度を解析することが重要となる。 On the other hand, in this embodiment, attention is paid to an environment in which a human suddenly falls and collides with the ground or the floor as another environment. The reason why humans suddenly fall is not well understood, but there are many reports of fractures of the lower back (including the thigh) due to sudden falls, especially in the elderly Has been. In order to prevent the fracture, it is conceivable to wear protective equipment on humans, but in order to optimize the site where the protective equipment is to be worn and the structure of the protective equipment, humans fall for some reason and ground It is important to analyze the site where the person is injured and the degree of the injuries when they collide with each other.
このような知見に基づき、本実施形態においては、前記解析・応用システムにおけるコンピュータのストレージにさらに、転倒解析プログラムも予め記憶されている。この転倒解析プログラムは、前記ハイブリッド方式により、人間が転倒して地面等に衝突した結果、その人間に外部から衝撃が加わってその人間の各部位に生ずる応答や負荷をシミュレーションによって解析するためのプログラムである。 Based on such knowledge, in this embodiment, a fall analysis program is also stored in advance in the computer storage in the analysis / application system. This fall analysis program is a program for analyzing by simulation the response and load that occurs in each part of a person when the person falls and hits the ground etc. due to the hybrid method, and the person is impacted from the outside. It is.
図30には、その転倒解析プログラムの内容が概念的にフローチャートで表されている。 FIG. 30 conceptually shows the contents of the fall analysis program in a flowchart.
この転倒解析プログラムにおいては、まず、ステップS401において、人間が転倒することを想定された床を記述する床モデルがコンピュータに入力される。 In this fall analysis program, first, in step S401, a floor model that describes a floor that is assumed to fall by a human is input to the computer.
次に、ステップS402において、人間を転倒させるための物理的条件がコンピュータに入力される。その物理的条件には、例えば、人間の複数の部位のうち、その人間を転倒させるために動きを強制的に拘束することが適当である部位がある。 Next, in step S402, physical conditions for causing the person to fall are input to the computer. The physical condition includes, for example, a part of a plurality of human parts where it is appropriate to forcibly restrain the movement in order to cause the person to fall.
続いて、ステップS403において、その入力された物理的条件のもと、前記機構モデルに対して機構解析プログラムが実行されることにより、人間が転倒して床に衝突する前におけるその人間の姿勢すなわち衝突前姿勢とその人間の運動を記述する物理量とがシミュレーションによって解析される。その物理量には、例えば、人間の各部位の速度および加速度がある。図31には、機構モデルを用いることにより、人間が転倒する姿勢が示されている。 Subsequently, in step S403, the mechanism analysis program is executed on the mechanism model under the input physical conditions, so that the human posture before the human falls and collides with the floor, that is, The posture before the collision and the physical quantity describing the human motion are analyzed by simulation. The physical quantity includes, for example, the speed and acceleration of each human part. FIG. 31 shows a posture in which a human falls by using a mechanism model.
その後、ステップS404において、それら解析された衝突前姿勢と物理量とに基づき、かつ、人体モデル30に対して前記FEM解析プログラムが実行されることにより、人間が床に衝突する瞬間におけるその人間の姿勢および運動状態が解析され、それが転倒条件として決定される。
Thereafter, in step S404, based on the analyzed pre-collision posture and physical quantity, and by executing the FEM analysis program on the
続いて、ステップS405において、その決定された転倒条件のもと、人体モデル30に対してFEM解析プログラムが実行されることにより、人間が転倒したときにその人間の各部位に生ずる傷害の程度がシミュレーションによって解析される。図32には、人体モデル30を用いることにより、人間が転倒したことによってその人間の大腿骨に骨折という傷害が発生した様子が示されている。骨折するか否かは、例えば、人間の各部位が床に衝突したときにその各部位に生ずる応力が限度を超えたか否かによって判定される。
Subsequently, in step S405, the FEM analysis program is executed on the
以上で、この転倒解析プログラムの1回の実行が終了する。 Thus, one execution of the fall analysis program is completed.
この転倒解析プログラムの実行により得られるシミュレーション解析結果は、人間に保護具を装着する場合におけるその保護具の性能を評価したり、その保護具の装着位置を最適化したり、その保護具の構造を最適化する際に有用である。 The simulation analysis result obtained by executing this fall analysis program evaluates the performance of the protective equipment when a human being wears the protective equipment, optimizes the wearing position of the protective equipment, and determines the structure of the protective equipment. Useful when optimizing.
次に、本発明の第5実施形態である人体挙動解析方法を図面に基づいて詳細に説明する。 Next, a human body behavior analysis method according to a fifth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
この人体挙動解析方法が実行される人体挙動解析・応用システムは、第3実施形態における解析・応用システム150と基本的な構成が共通するため、詳細な説明を省略する。
Since the human body behavior analysis / application system in which this human body behavior analysis method is executed has the same basic configuration as the analysis /
前述のように、人間が物体に衝突した結果、その人間に外部から衝撃が加わってその人間の各部位に応答や負荷が生ずる環境の一例に、運動中に人間が偶然に物体に衝突する環境があり、第3実施形態においては、運動中に人間が偶然に物体に衝突したときにその人間の各部位に生ずる応答がシミュレーションによって解析される。 As described above, an example of an environment in which a person collides with an object and an external impact is applied to the person, causing a response or load on each part of the person. In the third embodiment, when a person accidentally collides with an object during movement, a response generated in each part of the person is analyzed by simulation.
これに対して、本実施形態においては、別の環境として、人間が歩いている最中や走っている最中にその人間の足が着地する際にその足が地面や床に衝突する環境に着目されている。足の着地時には、足に衝撃が加えられるが、靴を履いている場合には、その靴の衝撃吸収能力によって足の衝撃が緩和される。足の衝撃を効果的に緩和するには、靴の構造、例えば、靴底に衝撃吸収材を装着するとともにその衝撃吸収材による衝撃吸収能力を最適化することが重要である。そして、その最適化には、歩行時または走行時に着地した足および靴に生ずる応力を解析することが重要となる。 On the other hand, in the present embodiment, as another environment, when the human foot lands while the human is walking or running, the foot collides with the ground or the floor. It is attracting attention. When a foot is landed, an impact is applied to the foot. When a shoe is worn, the impact of the foot is reduced by the impact absorbing ability of the shoe. In order to effectively mitigate foot impact, it is important to mount a shock absorber on a shoe structure, for example, a shoe sole, and to optimize the shock absorbing ability of the shock absorber. For the optimization, it is important to analyze the stresses generated on the feet and shoes that land during walking or running.
このような知見に基づき、本実施形態においては、前記解析・応用システムにおけるコンピュータのストレージにさらに、着地応力解析プログラムも予め記憶されている。この着地応力解析プログラムは、前記ハイブリッド方式により、歩行時または走行時に人間が足および靴で着地してそれら足および靴が地面等に衝突した結果、それら足および靴に外部から衝撃が加わってそれら足および靴に生ずる応力の分布をシミュレーションによって解析するためのプログラムである。 Based on such knowledge, in this embodiment, a landing stress analysis program is also stored in advance in the computer storage in the analysis / application system. This landing stress analysis program is based on the hybrid method described above. As a result of a person landing with his / her feet and shoes during walking or running and the feet and shoes colliding with the ground, etc., these feet and shoes are subjected to external impacts. It is a program for analyzing the distribution of stress generated in the foot and shoes by simulation.
図33には、この着地応力解析プログラムの内容が概念的にフローチャートで表されている。 FIG. 33 conceptually shows the contents of the landing stress analysis program in a flowchart.
この着地応力解析プログラムにおいては、まず、ステップS501において、人間の足が着地することを想定された床を記述する床モデルがコンピュータに入力される。 In this landing stress analysis program, first, in step S501, a floor model describing a floor on which a human foot is supposed to land is input to a computer.
次に、ステップS502において、人間を歩かせるかまたは走らせるための物理的条件がコンピュータに入力される。その物理的条件には、例えば、人間の重心点における運動速度がある。 Next, in step S502, physical conditions for walking or running a human are input to the computer. The physical condition includes, for example, the motion speed at the center of gravity of the human.
続いて、ステップS503において、その入力された物理的条件のもと、前記機構モデルに対して機構解析プログラムが実行されることにより、人間が歩行するかまたは走行する際の人間全身の挙動がシミュレーションによって解析される。 Subsequently, in step S503, a mechanism analysis program is executed on the mechanism model under the input physical conditions, thereby simulating the behavior of the whole human body when the human walks or runs. Is analyzed.
その後、ステップS504において、その解析された挙動に基づき、かつ、人体モデル30に対して前記FEM解析プログラムが実行されることにより、人間が足および靴で着地する瞬間の姿勢および運動状態が解析され、それが着地条件として決定される。この着地条件には、例えば、人体モデル30の足が床モデルに着地する瞬間の足部の姿勢や、速度または加速度がある。
Thereafter, in step S504, based on the analyzed behavior and the FEM analysis program is executed on the
続いて、ステップS505において、その決定された着地条件のもと、人体モデル30に対してFEM解析プログラムが実行されることにより、人間が足および靴で着地したときにそれら足および靴に生ずる応力分布がシミュレーションによって解析される。
Subsequently, in step S505, the FEM analysis program is executed on the
以上で、この着地応力解析プログラムの1回の実行が終了する。 Thus, one execution of the landing stress analysis program is completed.
図34には、人体モデル30が足および靴で着地する前におけるその人体モデル30が、足を含む下肢部とその足に履かされた靴とに関して取り出して示されている。
FIG. 34 shows the
図35には、人体モデル30が走っている際にその人体モデル30の下肢骨に生ずる応力分布の解析結果が示されている。同図においては、下肢に加えられる加速度の向きが矢印で示されている。また、同図においては、描かれているドットの密度が高いほど大きな応力が生じていることが示されている。
FIG. 35 shows an analysis result of a stress distribution generated in the lower limb bone of the
図36には、人体モデル30が走っている際にその人体モデル30の足に履かされている靴の底に生ずる応力分布の解析結果が示されている。同図においても、図35におけると同様に、描かれているドットの密度が高いほど大きな応力が生じていることが示されている。
FIG. 36 shows an analysis result of a stress distribution generated on the bottom of the shoe put on the foot of the
この着地応力解析プログラムの実行により得られるシミュレーション解析結果は、靴底に衝撃吸収材を装着する場合におけるその衝撃吸収材の配置を最適化したり、その衝撃吸収材の構造を最適化する際に有用である。 The simulation analysis results obtained by executing this landing stress analysis program are useful for optimizing the placement of the shock absorber when mounting the shock absorber on the shoe sole, or optimizing the structure of the shock absorber. It is.
前述のように、以上説明したいくつかの実施形態のいずれにおいても、人体モデル30は、人間の全身をそれの骨、皮膚、靭帯および腱に関して詳細に表現している。ここで、この人体モデル30における骨の再現についてさらに詳しく説明する。
As described above, in any of the several embodiments described above, the
この人体モデル30の関節部は、主要な靭帯と、骨同士の接触とをそれぞれ再現することにより、現実の人間における関節動作を解剖学的に正確に表現している。したがって、人体モデル30の姿勢を変更するために、コンピュータ上でFEM解析プログラムを実行することによって関節部を曲げても、その関節部における複数の骨間の相対位置関係は、解剖学的に正しいものに維持される。
The joint part of the
図37には、人体モデル30の下肢部が、それの膝関節部が曲げられている屈曲状態から、伸ばされている伸長状態に変更される様子が示されている。同図は、その膝関節部における複数の骨の相対位置関係が、屈曲状態においても伸長状態において解剖学的に正しいことを示している。
FIG. 37 shows a state in which the lower limb portion of the
さらに、この人体モデル30は、コンピュータ上において、ある姿勢において、その人体モデル30に外部から力や強制的な変位が与えられると、別の姿勢に変更される。例えば、図38に示すように、人体モデル30に特定の条件が与えられると、人体モデル30が、座り姿勢を保ったまま、その人体モデル30の肘がかなり曲がっている状態からやや曲がっている状態に変更される。この例においては、それら2つの状態の間において人体モデル30の姿勢が変更される程度が小さい。したがって、この人体モデル30を用いる場合には、その姿勢変更を実現するため、人体モデル30が分割される複数の要素を再分割すること、すなわち、メッシュの切り直しを行うことが省略可能となる。なぜなら、前述のように、人体モデル30の関節部は、現実の人間における関節動作を解剖学的に正確に表現しているからである。
Further, the
図39には、人体モデル30の姿勢を大きく変更する例が示されている。この例においては、人体モデル30が座り姿勢から立ち姿勢に変更される。例えば、人体モデル30の膝関節部については、膝が曲げられている状態から伸びている状態に変更されることとなる。この例においては、前述のように、人体モデル30の関節部は、現実の人間における関節動作を解剖学的に正確に表現しているため、その姿勢変更を実現するために人体モデル30の膝関節部の骨についてメッシュの切り直しを行うことは、姿勢変更の程度が小さい場合と同様に、省略可能である。これに対して、膝関節部の軟組織(例えば、皮膚、脂肪、肉等)については、メッシュの切り直しを行うことが必要となる場合がある。しかし、この場合であっても、膝関節部の全体についてメッシュの切り直しを行うことから回避し得る。
FIG. 39 shows an example in which the posture of the
以上の説明から明らかなように、人体モデル30の関節部は、現実の人間における関節動作を解剖学的に正確に表現しているため、この人体モデル30を用いれば、現実の人間の姿勢変更を大きな手間をかけずに精度よく再現し得ることとなる。
As is clear from the above description, the joint part of the
さらに、この人体モデル30によれば、現実の人間の姿勢と、その人間を構成する骨の相対位置との関係を精度よく再現し得る。したがって、この人体モデル30によれば、現実の人間がとるべき姿勢から、その姿勢をとるときに現実の人間において実現される骨の相対位置を精度よく予想することが可能となる。この予想の結果は、人体を表現するモデルであって、人体モデル30以外のものにおいて利用することが可能である。
Furthermore, according to the
次に、本発明の第6実施形態である人体挙動解析方法を図面に基づいて詳細に説明する。 Next, a human body behavior analysis method according to a sixth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図40には、この人体挙動解析方法が実行される人体挙動解析・応用システム(以下、単に「解析・応用システム」という。)200が示されている。この解析・応用システム200は、第2実施形態における解析・応用システム100と同様に、コンピュータ202に入力装置204と出力装置206とが接続されることによって構成されている。このコンピュータ202は、第2実施形態におけるコンピュータ102と同様に、PU210とストレージ212とがバス214により互いに接続されることによって構成されている。
FIG. 40 shows a human body behavior analysis / application system (hereinafter simply referred to as “analysis / application system”) 200 in which this human body behavior analysis method is executed. Similar to the analysis /
そのストレージ212には、第2実施形態におけると同様に、人体モデル30を用いて人体の挙動を解析するFEM解析プログラムが予め記憶されている。ただし、第2実施形態におけるとは異なり、人体モデル30は予め記憶されておらず、ユーザにより作成される。
In the
このストレージ212には、さらに、ユーザが人体モデル30を作成することを支援するためのデータとして、人体全身の各部位を定義する部位データが予め記憶されている。
The
ところで、ユーザが人体モデル30を作成するに際しては、一般に、まず、ユーザが人体全身の各部位ごとにデータを入力し、人体のすべての部位についてデータ入力が終了したならば、すべての部位に関するデータを結合し、それにより、人体モデル30を完成する。
By the way, when the user creates the
この際、ユーザは、機械的な装置をモデル化するために一般的に使用されるモデル作成支援プログラムをコンピュータにより実行することにより、人体モデル30を作成することが可能である。
At this time, the user can create the
ここで、その一般的に使用されるモデル作成支援プログラムを使用して人体モデル30を作成する場合の手順を説明する。
Here, a procedure in the case of creating the
この場合には、ユーザは、まず、ユーザが人体の各部位の特性を考慮し、それを実現するのに最適な部位モデルのタイプを、上記モデル作成支援プログラム上で選択する。具体的には、この選択は、例えば、部位モデルを、1次元要素によるモデルにするのか、2次元要素によるモデルにするのか、3次元要素によるモデルにするのか、また、2次元要素によるモデルの場合、その2次元要素を板要素にするのか、膜要素にするのかを決定する工程を含んでいる。 In this case, the user first considers the characteristics of each part of the human body, and selects an optimal part model type on the model creation support program for realizing it. Specifically, this selection may be performed by, for example, whether the part model is a one-dimensional element model, a two-dimensional element model, a three-dimensional element model, or a two-dimensional element model. In some cases, the method includes a step of determining whether the two-dimensional element is a plate element or a membrane element.
ユーザは、人体の今回の部位について部位モデルのタイプを選択した後、その選択されたタイプの部位モデルのパラメータを設定する。具体的には、ユーザは、例えば、部位モデルにより表現すべき力学的特性を定義するためのパラメータを設定する。 After selecting the type of the part model for the current part of the human body, the user sets the parameters of the part model of the selected type. Specifically, for example, the user sets parameters for defining mechanical characteristics to be expressed by a part model.
ユーザは、部位モデルのパラメータを設定した後、その部位モデルを定義するためのデータであってコンピュータに予め記憶されているものを編集することにより、人体の今回の部位の形状および大きさを再現する。 After setting the parameters of the part model, the user can reproduce the shape and size of the current part of the human body by editing the data for defining the part model and stored in advance in the computer To do.
ユーザは、人体の今回の部位について部位モデルのタイプを選択した後、その選択されたタイプの部位モデルであってコンピュータに予め記憶されているものを加工することにより、人体の今回の部位の形状および大きさを再現する。 The user selects the type of the part model for the current part of the human body, and then processes the part model of the selected type, which is stored in advance in the computer, so that the shape of the current part of the human body And reproduce the size.
続いて、ユーザは、そのようにして定義された部位モデルを検証する。具体的には、ユーザは、まず、その検証すべき部位モデルに対して前記FEM解析プログラムを実行することにより、人体の今回の部位に関する解析結果を取得する。さらに、ユーザは、その解析結果を、人体の今回の部位に関する実験結果と比較することにより、今回の部位モデルを検証する。実験結果は、例えば、死体または代替物を利用して得られたものである。 Subsequently, the user verifies the part model thus defined. Specifically, the user first acquires the analysis result regarding the current part of the human body by executing the FEM analysis program on the part model to be verified. Further, the user verifies the part model of this time by comparing the analysis result with the experimental result of the part of the human body. Experimental results are obtained, for example, using corpses or substitutes.
この検証の結果、今回の部位モデルによる解析結果が実験結果を精度よく一致しない場合には、ユーザは、同じ部位モデルについて、再度、タイプの選択、パラメータの設定、ならびに形状および大きさの特定を行う。この一連の作業は、今回の部位モデルによる解析結果が実験結果を精度よく一致するまで繰り返される。 As a result of this verification, if the analysis result of this part model does not accurately match the experimental result, the user again selects the type, sets the parameters, and specifies the shape and size for the same part model. Do. This series of operations is repeated until the analysis result of the current part model matches the experimental result with high accuracy.
人体のすべての部位につき、部位モデルの作成および検証が終了すると、ユーザは、すべての部位についてのすべての部位モデルを合体させることにより人体モデル30を作成する。その後、ユーザは、その作成された人体モデル30に対して前記FEM解析プログラムを実行することにより、人体全身の挙動に関する解析結果が現実の挙動と精度よく一致するか否かを検討し、必要に応じて部位モデルを修正する。
When the creation and verification of the part model is completed for all parts of the human body, the user creates the
このように、前述の、一般的に使用されるモデル作成支援プログラムを使用する場合には、ユーザは、今回の部位モデルによる解析結果が実験結果と精度よく一致しない場合には、タイプの選択、パラメータの設定ならびに形状および大きさの特定を繰り返さなければならない。 In this way, when using the above-described generally used model creation support program, the user selects the type when the analysis result of this part model does not accurately match the experimental result, The setting of parameters and identification of shape and size must be repeated.
これに対して、本実施形態においては、人体の各部位の特性を表現する部位モデルがいくつか予め用意されており、ユーザは、そのいくつかの部位モデルの中から適当なものを選択するだけで、部位モデルのタイプの選択と、その部位モデルのパラメータの設定とが自動的に行われることとなる。 On the other hand, in this embodiment, several part models expressing the characteristics of each part of the human body are prepared in advance, and the user only selects an appropriate one from the several part models. Thus, the selection of the part model type and the setting of parameters of the part model are automatically performed.
具体的には、本実施形態においては、ストレージ212に、図40に示すように、人体全身の各部位の特性を表現する部位モデルとして、標準的な1つのモデルである標準部位モデルと、それに代わる少なくとも1つのモデルである代替部位モデルとが、人体全身の各部位に関連付けて予め記憶されている。その記憶内容が図41に概念的に表として表されている。
Specifically, in the present embodiment, as shown in FIG. 40, in the
さらに、ストレージ214には、ユーザが標準部位モデルまたは代替部位モデルを選択し、その選択された部位モデルをユーザが編集することを支援するプログラムとして、図40に示すように、人体モデル作成支援プログラムが予め記憶されている。
Furthermore, in the
したがって、本実施形態によれば、ユーザは、部位モデルのタイプの選択およびパラメータの設定を、高度な知識を不可欠とすることなく、的確に行うことが可能となる。 Therefore, according to the present embodiment, the user can accurately perform the selection of the part model type and the parameter setting without requiring advanced knowledge.
図42には、上記人体モデル作成支援プログラムの内容が概念的にフローチャートで表されている。 FIG. 42 conceptually shows a flowchart of the contents of the human body model creation support program.
この人体モデル作成支援プログラムにおいては、まず、ステップS601において、トップページを出力装置206の画面上に表示するための表示データがストレージ212から読み出され、その読み出された表示データに基づいてそのトップページが画面上に表示される。このトップページは、人体の複数の部位のうちユーザが今回部位モデルを作成しようとする部位を選択することをそのユーザに指示するためのメッセージを含んでいる。
In this human body model creation support program, first, in step S601, display data for displaying the top page on the screen of the
次に、ステップS602において、入力装置204を介したユーザからの指令に従い、人体の複数の部位のいずれかが今回の部位として選択される。
Next, in step S602, one of a plurality of parts of the human body is selected as the current part in accordance with an instruction from the user via the
続いて、ステップS603において、その選択された部位に対応する標準部位モデルがストレージ212から読み出されて出力装置206の画面上に表示される。
In step S603, the standard part model corresponding to the selected part is read from the
その後、ステップS604において、前記選択された部位に対応する少なくとも1つの代替部位モデルがストレージ212から読み出されて出力装置206の画面上に表示される。
Thereafter, in step S604, at least one alternative part model corresponding to the selected part is read from the
続いて、ステップS605において、ユーザからの指令に従い、画面上に表示されている標準部位モデルと少なくとも1つの代替部位モデルとのいずれかが今回の部位モデルとして選択される。 Subsequently, in step S605, according to a command from the user, either the standard part model displayed on the screen or at least one alternative part model is selected as the current part model.
その後、ステップS606において、その選択された部位モデルが出力装置206の画面上に表示される。
Thereafter, in step S606, the selected part model is displayed on the screen of the
続いて、ステップS607において、その表示されている部位モデルを編集して定義するためのデータがユーザにより入力される。その入力されるデータは、例えば、その部位モデルの形状および大きさを特定するデータを含んでいる。 Subsequently, in step S607, data for editing and defining the displayed part model is input by the user. The input data includes, for example, data specifying the shape and size of the part model.
その後、ステップS608において、ユーザに対し、次の部位モデルを作成する必要があるか否かが問われる。その必要があることをユーザがコンピュータ202に入力すれば、このステップS608の判定がYESとなり、ステップS602に戻る。これに対して、次の部位モデルを作成する必要はないことをユーザがコンピュータ202に入力すれば、このステップS608の判定がNOとなり、以上で、この人体モデル作成支援プログラムの1回の実行が終了する。
Thereafter, in step S608, the user is asked whether or not the next part model needs to be created. If the user inputs the necessity to the
以上、本発明のいくつかの実施形態を図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、前記[発明の開示]の欄に記載された態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した形態で本発明を実施することが可能である。 As mentioned above, although several embodiment of this invention was described in detail based on drawing, these are illustrations and are based on the knowledge of those skilled in the art including the aspect described in the column of the above-mentioned [disclosure of the invention]. Thus, the present invention can be implemented with various modifications and improvements.
10,100,150,200 人体挙動解析・応用システム
12 シミュレーション用コンピュータシステム
14 設計支援コンピュータシステム
16 制御用コンピュータシステム
18 コンピュータ
26 記録媒体
30 人体モデル
34 筋肉
35a 脾臓モデル
35b 肝臓モデル
50 腸骨
52,60,62 分割面
58 坐骨
66 バー要素
68 大腿骨
70 脛骨
72 踵骨
10, 100, 150, 200 Human body behavior analysis /
Claims (28)
その運動軸可変関節部を、解剖学的に等価な構造を前記人体モデルに採用することによってそれの運動軸の位置が変化させられるように表現するとともにその運動軸可変関節部に存在する前記結合組織の力学的特性を表現するようにモデル化することにより、前記人体モデルが構成されており、
その人体モデルを用いることにより、人体全身の挙動の解析と、前記運動軸可変関節部を含む人体の実質的にすべての部位の変形の解析とを行う請求項1ないし7のいずれかに記載の人体挙動解析方法。 The human body has at least one motion axis around which some of the plurality of bones coupled to each other at joints of the human body are moved around, and the position of the motion axis is the Including a variable axis joint that can be changed according to the relative motion of the bone,
The motion axis variable joint portion is expressed by adopting an anatomically equivalent structure in the human body model so that the position of the motion axis can be changed, and the coupling existing in the motion axis variable joint portion By modeling so as to express the mechanical characteristics of the tissue, the human body model is configured,
8. The analysis according to claim 1, wherein the human body model is used to analyze the behavior of the whole human body and to analyze the deformation of substantially all parts of the human body including the motion axis variable joint. Human body behavior analysis method.
前記人体モデルを用いることにより、前記衝撃付与時における人体全身の姿勢を解析する姿勢解析工程と、
その解析された姿勢と前記人体モデルとを用いることにより、前記衝撃応答応力を解析する応力解析工程と
を含む請求項1ないし9のいずれかに記載の人体挙動解析方法。 In an environment where the impact response stress, which is the stress generated in each part of the human body in response to the impact applied to the human body, depends on the posture of the human body at the time of the impact application,
By using the human body model, a posture analysis step of analyzing the posture of the whole human body at the time of applying the impact,
The human body behavior analysis method according to claim 1, further comprising: a stress analysis step of analyzing the impact response stress by using the analyzed posture and the human body model.
(a)人体全身を、各々形状と質量とを有する複数の剛体要素に分割するとともに、それら複数の剛体要素を各ジョイント要素により、位置固定の運動軸まわりに互いに相対運動可能に結合することによりコンピュータ上でモデル化された機構モデルに基づき、前記衝撃付与の前における人体全身の姿勢を解析する第1解析工程と、
(b)その解析された姿勢を前記人体モデルに与えるとともに、その後に、その人体モデルに基づき、前記衝撃付与時における人体全身の姿勢を解析する第2解析工程と
を含む請求項10に記載の人体挙動解析方法。 The posture analysis step includes
(A) By dividing the whole human body into a plurality of rigid elements each having a shape and a mass, and connecting the plurality of rigid elements by a joint element so that they can move relative to each other around a fixed movement axis. Based on a mechanism model modeled on a computer, a first analysis step of analyzing the posture of the whole human body before the impact is applied;
And (b) a second analysis step of giving the analyzed posture to the human body model, and thereafter analyzing the posture of the whole human body when the shock is applied based on the human body model. Human body behavior analysis method.
前記サーバ・コンピュータは、人体全身が少なくともそれの骨格組織であって複数の骨を含むものに関してコンピュータ上でモデル化された人体モデルに基づき、予め設定されたシミュレーション解析条件のもと、その人体の少なくとも1つの部位の挙動をコンピュータによるシミュレーションプログラムの実行によってシミュレートして解析し、その解析結果を前記クライアント・コンピュータに送信するものであり、
前記クライアント・コンピュータは、前記サーバ・コンピュータから受信した解析結果に基づき、そのユーザにより特定されるアプリケーションを実行するものである人体挙動解析・応用システム。 A human body behavior analysis / application system including at least one of a server computer and a client computer communicatively connected to each other,
The server computer is based on a human body model which is modeled on a computer with respect to a human body whose whole body is at least a skeletal tissue and includes a plurality of bones. The behavior of at least one part is simulated and analyzed by executing a simulation program by a computer, and the analysis result is transmitted to the client computer.
The human body behavior analysis / application system in which the client computer executes an application specified by the user based on the analysis result received from the server computer.
前記複数の要素がタイプに関して、太さを有しないで長さを有する1次元要素と、厚さを有しないで面積および形状を有する2次元要素と、体積および形状を有する3次元要素とに分類され、その2次元要素は、それの面内方向において引張力も圧縮力も発生させる板要素と、その面内方向において引張力は発生させるが圧縮力は発生させない膜要素とに分類され、前記対象を構成する複数の部位が靭帯、腱または筋肉を含むように構成されており、
当該方法が、前記複数の部位のうち、他の部位と面積を有する領域で接触しつつ相対運動させられる各第1部位は、複数の膜要素に分割することによってモデル化するのに対し、それら接触および相対運動が実質的に起こらない各第2部位は、複数の1次元要素に分割することによってモデル化する第1モデル化工程を含む人体モデル作成方法。 A human body model creation method for creating a human body model by modeling by dividing the whole body or a part of the human body into a plurality of elements,
The plurality of elements are classified in type into a one-dimensional element having a length without thickness, a two-dimensional element having an area and shape without thickness, and a three-dimensional element having a volume and shape. The two-dimensional element is classified into a plate element that generates a tensile force and a compressive force in the in-plane direction thereof, and a membrane element that generates a tensile force in the in-plane direction but does not generate a compressive force. The multiple parts that are configured are configured to include ligaments, tendons or muscles,
In the method, each of the plurality of parts is modeled by dividing the first parts that are moved relative to each other in contact with a region having an area with the other parts, by dividing them into a plurality of membrane elements. A human body model creation method including a first modeling step in which each second part where contact and relative movement do not substantially occur is modeled by dividing into a plurality of one-dimensional elements.
前記対象が、物理的に互いに独立した複数の元部位を含むように構成されており、
当該方法が、
各元部位を少なくとも1つの分割面により複数の小部位に、各小部位の平坦さが、それが属する元部位全体の平坦さより増すように分割する第1分割工程と、
それら分割された各小部位を複数の要素に分割することにより、各小部位をモデル化する第2分割工程と
を含む人体モデル作成方法。 A human body model creation method for creating a human body model by modeling the whole body or a local part of the human body,
The object is configured to include a plurality of original sites that are physically independent of each other;
The method is
A first dividing step of dividing each original part into a plurality of small parts by at least one dividing plane so that the flatness of each small part is greater than the flatness of the whole original part to which the original part belongs;
A human body model creation method including: a second dividing step of modeling each small part by dividing each of the divided small parts into a plurality of elements.
前記人体モデルの前記複数の要素のうち前記各分割面を境界にして互いに隣接する複数の隣接要素が、各隣接要素の頂点である節点の座標値に関して、本来であれば互いに一致すべきであるにもかかわらず互いに一致しない場合に、それら本来であれば互いに一致すべき複数の節点が前記シミュレーション中に相対的に変位しないように前記シミュレーション初期条件を設定する条件設定工程を含む人体挙動解析方法。 20. A human body behavior analysis based on a human body model created by the human body model creating method according to claim 19, wherein the behavior of at least one part of the human body is simulated and analyzed under a preset simulation initial condition by a computer. A method,
Of the plurality of elements of the human body model, a plurality of adjacent elements that are adjacent to each other with the respective dividing planes as boundaries should normally match each other with respect to the coordinate values of the nodes that are the vertices of the adjacent elements. Nevertheless, the human body behavior analysis method includes a condition setting step for setting the simulation initial condition so that a plurality of nodes that should originally match each other are not relatively displaced during the simulation when they do not match each other. .
前記対象が、2つの骨を互いに結合する関節をまたいで延びる筋肉を含み、かつ、その筋肉が、それの両端においてそれら2つの骨に結合され、それの中間においてそれら2つの骨の一方に結合されたものであり、
当該方法が、その筋肉を、太さを有しないで長さを有するとともに力を伝達する1次元要素により分割することによってモデル化するモデル化工程であって、
前記2つの骨が互いに成す角度が変化するにもかかわらず、前記1次元要素がそれら2つの骨に沿って延びる状態が維持されるようにその1次元要素の経路を最適化する第1最適化工程と、
その1次元要素と前記2つの骨との間における力の伝達が現実の特性を有するようにそれら1次元要素と2つの骨との結合を最適化する第2最適化工程と
を含む人体モデル作成方法。 A human body model creation method for creating a human body model by modeling the whole body or a local part of the human body,
The object includes a muscle that extends across a joint that joins two bones together, and the muscle is joined to the two bones at both ends thereof and to one of the two bones in the middle It has been
The method is a modeling step in which the muscle is modeled by dividing it by a one-dimensional element that has a length without thickness and transmits force,
A first optimization that optimizes the path of the one-dimensional element so that the one-dimensional element remains along the two bones despite the change in the angle between the two bones. Process,
Creating a human body model including a second optimization step for optimizing the connection between the one-dimensional element and the two bones so that the force transmission between the one-dimensional element and the two bones has real characteristics Method.
前記第2最適化工程が、その中間結合点におけるその1次元要素と前記一方の骨との結合を、その一方の骨に固定的に位置決めされた滑車と、その滑車により支持されるロープとの概念的な組合せにより表現されるようにモデル化する工程を含む請求項21に記載の人体モデル作成方法。 The first optimization step is such that the one-dimensional element has two end connection points that connect to the two bones at both ends thereof, and an intermediate connection point that connects to the one bone in the middle thereof. Modeling the muscle,
The second optimization step includes a pulley fixedly positioned to the one bone at the intermediate connection point and the one bone and a rope supported by the pulley. The human body model creation method according to claim 21, further comprising a step of modeling so as to be expressed by a conceptual combination.
前記対象が、アキレス腱とそれから延びる下腿三頭筋肉との複合体を含み、かつ、アキレス腱は、それの両端のうち下腿三頭筋と結合する側とは反対側の端部において前記人体の踵骨と結合し、下腿三頭筋は、それの両端のうちアキレス腱と結合する側とは反対側の端部において前記人体の大腿骨と結合するとともに、それの中間において前記人体の脛骨と結合するものであり、
当該方法が、その複合体を、太さを有しないで長さを有するとともに力を伝達する1次元要素により分割することによってモデル化するために、 前記1次元要素が、それの両端において前記踵骨および大腿骨と結合する2つの端結合点と、それの中間において前記脛骨と結合する中間結合点を有するように、前記複合体をモデル化する工程と、
その中間結合点における前記1次元要素と前記脛骨との結合を、その脛骨に固定的に位置決めされた滑車と、その滑車により支持されるロープとの概念的な組合せにより表現されるようにモデル化する工程と
を含む人体モデル作成方法。 A human body model creation method for creating a human body model by modeling the whole body or a local part of the human body,
The subject includes a complex of an Achilles tendon and a triceps surae muscle extending therefrom, and the Achilles tendon is a rib of the human body at an end opposite to the side connecting with the triceps surae. The triceps surae is connected to the femur of the human body at the end opposite to the side connecting to the Achilles tendon at both ends, and to the tibia of the human body in the middle And
In order for the method to model the composite by dividing it into one-dimensional elements that have a length and do not have a thickness and transmit forces, the one-dimensional element Modeling the composite to have two end attachment points that connect to the bone and femur, and an intermediate connection point that connects to the tibia in between.
The connection between the one-dimensional element and the tibia at the intermediate connection point is modeled as a conceptual combination of a pulley fixedly positioned on the tibia and a rope supported by the pulley. A human body model creation method including:
前記対象を構成する複数の部位の各々に関連付けて、各部位の特性を精度よく表現する部位モデルを少なくとも1つ、標準的な部位モデルとして予め記憶しているメモリから、ユーザが人体について今回モデル化しようとする部位に対応する部位モデルを読み出し、その読み出された部位モデルを前記コンピュータの画面上に表示する第1表示工程と、
ユーザからの指令に応じ、その表示されている部位モデルに形状および大きさを与えることにより、その部位モデルを定義する定義工程と
を含む人体モデル作成支援方法。 A human body model creation support method for supporting creation of a human body model by a computer having a screen by modeling the whole body or a part of the human body,
At least one part model that accurately represents the characteristics of each part in association with each of a plurality of parts constituting the object, and the user stores the current model about the human body from a memory that is stored in advance as a standard part model. A first display step of reading a part model corresponding to the part to be converted and displaying the read part model on the computer screen;
A human body model creation support method including a definition step of defining a part model by giving a shape and size to the displayed part model in response to a command from a user.
当該方法が、さらに、
ユーザからの指令に応じ、それら複数の候補部位モデルのいずれかを最終部位モデルとして選択する選択工程と、
その選択された最終部位モデルを前記画面上に表示する第2表示工程と
を含み、かつ、
前記定義工程が、ユーザからの指令に応じ、その表示されている最終部位モデルに形状および大きさを与えることにより、その最終部位モデルを定義するものである請求項24に記載の人体モデル作成支援方法。 The at least one part model stored in advance in the memory includes a plurality of part models of different types as a plurality of candidate part models for the same part of the human body,
The method further comprises:
In response to a command from the user, a selection step of selecting any of the plurality of candidate site models as a final site model,
A second display step of displaying the selected final part model on the screen, and
25. The human body model creation support according to claim 24, wherein the defining step defines the final part model by giving a shape and a size to the displayed final part model in response to a command from a user. Method.
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