Virtual Biomechanics and its Physics

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2004
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Virtuelle Biomechanik und deren Physik
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Dissertation
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Zusammenfassung

Diese Habilitationsschrift hat den Titel Virtual Biomechanics and its Physics (Virtuelle Biomechanik und deren Physik). Sie beschreibt das Thema Computersimulation in der Biomechanik. Der Schwerpunkt der Darstellung liegt auf der vom Autor entwickelten Realisierung eines Simulationssystems. Die Teilmenge der physikalischen Gesetze, die Voraussetzung für die Realisierung eines Simulationssystems ist wurde bestimmt. Die Liste der physikalischen Gesetze ist das Ergebnis eines rigorosen Prozesses, in welchem die Brauchbarkeit und Notwendigkeit der Gesetze als Basis für ein Simulationssystem untersucht wurde. Newtons Mechanik bildet immer noch die Basis der heutigen Technologie zusammen mit dem, was wir über Signale und Information wissen. Das Wissen über deterministisches Chaos beginnt eine Rolle in biologischen und damit in Simulationssystemen (von biologischen Einheiten) zu spielen. Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie spielen auch weiterhin keine große Rolle in Simulationssystemen. Trotzdem mögen sie wichtige Einblicke, zum Verständnis von Masse, der Funktion von Muskeln auf dem mikroskopischen Niveau und der Funktion des Gehirns (siehe Kapitel 9 Diskussion) erlauben. Wirklich handfeste Erklärungen sind jedoch nicht vorhanden. Wie kann der menschliche Körper in mathematischen Termen repräsentiert werden? Die häufig gebrauchten Starrkörpermodelle (Modelle aus starren Segmenten, welche über Gelenke verbunden sind) und deren Physik werden im Detail besprochen. Erweiterungen des Konzepts sind in der Diskussion zu finden. Das Kapitel Projektentwicklung (project creation) enthält die spezifischen Lösungen und Darstellungen des vom Autors beschrieben Simulationssystems. Segmentvektoren sind definiert und hiermit ist die Kalibrierung erklärt. Die vom Autor entwickelte Kalibrierung ist hier der spezifische Prozess, der es erlaubt aus den Markerkoordinaten die Gelenkkoordinaten zu berechnen. Weiter wird filtern diskutiert, welches inverse Dynamik erst möglich macht. Innerhalb dieser Thematik wird das vom Autor entwickelte F³-Filter detailliert beschrieben. Dieses beseitigt die meisten unerwünschten Frequenzen, ohne dass Daten zeitlich verschoben werden oder dass das Endpunktproblem auftaucht. Die Datenkonvertierung (von kartesischen Gelenkkoordinaten zu Kardanwinkeln) und das aktuelle Modelldesign schließen das Kapitel ab. Die Approximation der Muskelenergie ist von größtem Interesse. Im Starrkörpermodel werden die Gelenke bzw. die umgebenden Muskelgruppen als Energiequellen identifiziert. Dieser Ansatz kommt ohne die Kenntnis über die detaillierte Muskelanatomie aus, weil für eine gegebene Bewegung die Energie geliefert werden muss unabhängig davon wie die Muskeln angeordnet sind. Die Energiemenge kann aus dem Drehmoment des Gelenks und der zugehörigen Winkelgeschwindigkeit ermittelt werden. Der Energietransfer zu und von benachbarten Gelenken wird beachtet. Externe Kräfte, die auf den Körper wirken haben einen großen Einfluss auf die Bewegung und auf Parameter der Dynamik wie Energie, Drehmoment usw. Wenn alle Kraftvektoren und deren Angriffspunkte gemessen werden ist das System genau determiniert. Bei vielen Studien ist es jedoch schwierig die Kräfte zu bestimmen und manchmal ist es sogar unmöglich diese zu messen. In diesen Fällen helfen Kraftaustauschmodelle die unbekannten Kräfte und deren Angriffspunkte anzunähern. Diese vom Autor entwickelten Modelle umfassen das gesamte Bewegungsspektrum mit stehen, gehen, rennen und springen. Das vom Autor realisierte Simulationssystem wird im Detail beschrieben. Es besteht aus der exklusiv vom Autor entwickelten Komponente Human-Builder und der Komponente SD 6.2 von Solid Dynamics. Human-Builder ist ein System das die Simulationsprojekte zur Verwendung in SD 6.2 aufarbeitet. Ein mathematisches Körpermodel mit allen anthropometrischen Daten eines Individuums wird erzeugt. Zusammen mit den gefilterten, konvergierten und kalibrierten Daten der Bewegung bildet dies die Basis für die Simulation, welche nach Kompilierung ohne weitere Programmierung lauffähig ist. Vier ausgesuchte Studien, welche der Autor durchgeführt hat zeigen die Brauchbarkeit und Arbeitsweise des Systems. Viele der in dieser Arbeit vorgestellten Rechnungen können mit Hilfe der vom Autor entwickelten Software Human-Builder und StatFree nachvollzogen werden. Interessierte Leser können die Software im Internet unter http://www.uni-konstanz.de/FuF/SportWiss/vieten/Software/ herunterladen. Zum Beispiel erlaubt StatFree die Berechnung der Beispiele des Abschnittes deterministic chaos auf den Seiten 28-40.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

In this post-graduate dissertation (Habilitation), entitled Virtual Biomechanics and its Physics, the thematic of a simulation system for biomechanics is discussed. The topic centers on the system as it is realized through the author s developments. The prerequisites of a simulation system, the subset of the physical laws needed, are selected. For this selection process the physical laws were carefully examined. The result of this process is visible in the first part of this work. The list of physical laws is the result of a rigorous process of seeking to understand them and find their usefulness and their necessity as the basis for a simulation system. Newton s mechanics is still the basis of today s technology, together with what we know about signals and information. Deterministic chaos is beginning to play a role in biological systems and hence in simulation systems as well. Quantum mechanics and quantum field theory do not play a prominent part in simulation systems. However, they are important in explaining mass; the function of muscles on the macroscopic scale and the functioning of the brain (see Chapter 9 discussion), but no tangible explanations are available. How can the human body be represented in mathematical terms? The frequently used rigid body models and their physics are described in detail. Extensions of this concept are reviewed in the discussion section. The project creation depicts the author s specific solution. Segment vectors are defined, and herewith calibration is explained. Calibration here is the specific process that allows calculating joint coordinates from marker coordinates, which was developed by the author. Further, filtering is discussed, which without inverse dynamics would be impossible. Within the topic, F³ filtering is detailed, which is the author s development and which allows removing most unwanted frequencies with no shifting and no endpoint problems. The data conversion (from Cartesian joint coordinates to Cardan angles) and the actual model design conclude the project creation. The approximation of muscle energies is of major interest. Starting with rigid body models, the joints, respectively the surrounding muscles are identified as energy sources. This approach works without considering the detailed muscle anatomy, because for a given movement energy must be delivered regardless of the specific muscle arrangement. The amount of energy can be calculated from the angular joint moments and the respective angular velocities. The energy transfer between adjacent joints is also considered. External forces acting on a body have great influence on its movement and its dynamical parameters like energy, momentum, etc. If all force vectors and their points of application are measured, the system is well determined. In most studies, however, the forces are hard to determine and might even be impossible to measure. Force exchange models help us to approximate the unknown forces and their points of application. These models were developed by the author for the entire spectrum of ground reaction forces, from standing to walking, running and jumping. The author s working simulation system is presented in detail. It consists of the Human-Builder component, which was exclusively developed by the author, and the SD 6.2 Solid Dynamics simulator. Human-Builder is a system that prepares simulation projects for use with SD 6.2. A mathematical body model, with the individual s anthropometric measurements, is set up. Together with filtered, converted, and calibrated data, this forms the basis of a simulation which after compilation runs in SD 6.2 without further programming. Four selected studies which were carried out by the author demonstrate the usefulness and workability of the system. Many of the calculations within this work can be done with the help of the software Human-Builder and StatFree, which was developed by the author. Interested readers can download Human-Builder and StatFree from the internet at http://www.uni-konstanz.de/FuF/SportWiss/vieten/Software/. For example StatFree allows the calculation of all the examples of the section on deterministic chaos (pp 28-40).

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie
Schlagwörter
Naturgesetze, Biomechanics, Virtual Reality, Computer Simulation, Natural Laws
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690VIETEN, Manfred, 2004. Virtual Biomechanics and its Physics [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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July 21, 2004
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