Inhaltszusammenfassung:
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines allgemeinen biomechanischen
Menschmodells, das unter dem Gesichtspunkt einer schnellen interaktiven
Simulation in Wechselwirkung mit seiner Umwelt treten kann. Schnell bedeutet
hierbei, dass spätestens innerhalb von wenigen Sekunden das gewünschte
Simulationsergebnis vorliegt. Interaktiv heißt zum einen, dass während der
Berechnung jederzeit eine grafische Darstellung der Simulationsszene erfolgt und
zum anderen, dass der Anwender während der Simulation die Möglichkeit hat
aktiv einzugreifen. Die Genauigkeit der Simulation wird dabei keineswegs
vernachlässigt werden.
Erreicht wird dies vor allem indem bei der Kollisionserkennung neue Wege
gegangen werden und bei der Aufstellung der Bewegungsgleichungen eine
spezielle Struktur erstellt wird.
Dabei wird eine starke Verknüpfung zwischen der 3-dimensionalen Grafik
und der Simulation hergestellt, so dass beide eng miteinander verbunden sind.
Das heißt zum einen, dass die physikalischen Parameter wie zum Beispiel
Masse und Trägheitstensor direkt aus der 3D-Flächendarstellung eines Körpers
berechnet werden und zum anderen, dass die Simulation die 3D-Grafik verwendet
um eine Wechselwirkung des Menschmodells mit der Umwelt und sich selbst
herzustellen.
Für biomechanische Simulationen sind vor allem die Kenntnis bzw. Rekonstruktion
der inneren Momente des Menschen bei bestimmten Bewegungsabläufen
interessant. Am Beispiel einer aktiven Vorwärtssimulation eines Reckturners wird
die Einsetzbarkeit des hier entwickelten Verfahrens zur Rekonstruktion von inneren
Momenten demonstriert.
Weitere Ziele der biomechanischen Menschsimulation sind ausgiebige Parameter-
und Sensitivitätsanalysen ohne die eine Simulation nicht validiert werden kann.
Dies soll am Beispiel von Fussgänger-PKW Unfallsimulationen demonstriert
werden.
Abstract:
The goal of this thesis was the development of a general biomechanical human
model computer simulation, that is fast, interactive and can interact with its
environment. Here, fast means that the simulation result will be available in a
matter of a few seconds. Interactivity reflects the fact that at any time the
user has a 3D-graphical presentation of the simulation and also the possibilty
to change and influence the simulation while it is running. The precision of the
simulation is not neglected.
This approach is mainly possible due to new ways on how a collision detection
is implemented between 3D models and the way of how the equations of motion
are formulated.
The simulation features a strong coupling between 3D-graphics and the physical
simulation. That means physical properties like mass and the inertia of a body
are directly derived from the 3D-graphical representation of a body. On the other
side the 3D-graphics that are visible to the user are directly used for the collision
detection of the human model with itself and its environment.
One of the main goals in biomechanical simulations is to find out and reconstruct
the inner moments that drive certain biomechanical movements, like walking or
jumping. As an example on how to reconstruct inner moments, an interactive
forward simulation of a bar gymnast is demonstrated.
A further important topic in biomechanical simulations is the sensitivity analysis
of model parameters. Without them not much can be said about the validity of a
given simulation. To show the power of the simulation developed in this thesis,
a parameter sensitivity analysis will be performed for a crash simulation between
cars and pedestrians.
stiff differential equations , collision detection , crash simulation , forward simulation , quaternions