Biomechanische Modellbildung zur Simulation zweier Mensch-Maschinen-Schnittstellen

Abstract

Um die mechanischen Eigenschaften biologischer Systeme in Computersimulationen untersuchen zu können, wurden geeignete Modelle erstellt, deren Eigenschaften durch physikalische Gesetze bestimmt sind.

Das Ziel dieser Arbeit war es, ein biomechanisches Menschmodell zu erstellen, mit dem sich die mechanische Wechselwirkung des Menschen mit seiner Umwelt durch Simulationen analysieren lässt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Starrkörpermodelle des Menschen erstellt, wobei zur Aufstellung und Lösung der Bewegungsgleichungen kommerzielle Programmpakete (z.B. SIMPACK und ADAMS) verwendet wurden. Das entwickelte Menschmodell wurde in zwei konkreten Anwendungsbeispielen eingesetzt.

Zum Einen wurden zwei Unfälle zwischen Fußgänger und PKW simuliert und die Ergebnisse wurden mit denen aus der klassischen forensischen Rekonstruktion verglichen. Zum Anderen wurde die Vibrationseinleitung beim menschlichen Hand-Arm-System untersucht. Es wurde gezeigt, dass die Berücksichtigung der elastischen Eigenschaften der Weichteile durch sogenannte Schwabbelmassen bei dieser Anwendung notwendig erscheint.

Beide Anwendungen zeigten, dass biomechanische Starrkörpermodelle bezüglich ihrer Sensitivität im Bezug auf Systemparameter untersucht werden können. Daher sind Starrkörpermodelle geeignet, um inhärente Eigenschaften von biomechanischen Problemen zu untersuchen.

To study the mechanical characteristics of biological systems by computer simulations models have to be developed in accordance to the laws of physics.

Therefore, the aim of this thesis was to develop a biomechanical human body model to analyse the mechanical interaction between humans and environment.

We used rigid body models where the generation and the solving of the equations of motion was provided by commercial software packages (e.g. SIMPACK or ADAMS).

We developed two different models appropriate for different situations. First, two real pedestrian-car accidents were simulated. The results were compared to that of the classical forensic reconstruction. As a second application a vibrational loading of the human hand-arm-system was studied. There it was shown that the visco-elastic properties of soft tissues should be taken into account by so called wobbling masses.

Both applications showed that biomechanical rigid body models are suitable for testing their sensitivity with respect to system parameters. Thus, rigid body models are feasible for investigating inherent characteristics of biomechanical problems.