Ein Ansatz zur CAD-integrierten muskuloskelettalen Analyse der Mensch-Maschine-Interaktion

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12375_DanielBenjaminKrueger_Diss_OPUS.pdf (8.28 MB)
Diss. Reihe Maschinenbau, Band 333

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2019-11-11
Issue Year
2019
Authors
Krüger, Daniel Benjamin
Editor
Franke, Jörg
Hanenkamp, Nico
Merklein, Marion
Schmidt, Michael
Wartzack, Sandro
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-251-2
Abstract

Due to ever-shorter product life cycles there is a strong need to validate ergonomic product properties at an early stage of the product development process. A promising approach are simulations with multibody models of the human musculoskeletal system (musculoskeletal human models), which facilitate the computation of barely measurable biomechanical strains within the musculoskeletal system that arise due to external stress situations. However, since this technology originates from basic research in motion sciences it has not yet been satisfactorily integrated into the computer-aided process chain of product development. The particular aim of the present dissertation is to establish data consistency between the CAD system as a central synthesis tool for product development and musculoskeletal multibody simulation systems, thus facilitating the use of musculoskeletal human models for the virtual evaluation of ergonomic product properties. In addition to a bidirectional coupling scheme of CAD and MKS data structures three novel types of CAD features are being developed that support the augmentation of product models with information on human-machine interaction. This semantically extended product model is the foundation of a simulation technique based on mathematical optimization for predicting physically consistent human postures and related biomechanical strain measures. These building blocks collectively yield an integrated software tool that enables the product developer to quantitatively analyze human-machine interactions in the immediate context of the geometric product concept.

Abstract

Aufgrund stetig verkürzter Produktlebenszyklen besteht der Bedarf, ergonomische Produkteigenschaften möglichst frühzeitig im Produktentwicklungsprozess abzusichern. Ein vielversprechender Ansatz hierzu sind Simulationen mit Mehrkörpermodellen des menschlichen Bewegungsapparates (muskuloskelettale Menschmodelle), welche die Berechnung von experimentell kaum messbaren biomechanischen Beanspruchungen ermöglichen, die sich als Folge einer äußeren Belastungssituation im Bewegungsapparat einstellen. Allerdings ist die Integration dieser aus der bewegungsmedizinischen Grundlagenforschung stammenden Technologie in die rechnerunterstützte Prozesskette der Produktentwicklung bislang nicht befriedigend gelöst. Die vorliegende Dissertation soll dazu beitragen, insbesondere die Datendurchgängigkeit zwischen dem CAD-System als zentralem Synthesewerkzeug der Produktentwicklung und muskuloskelettalen Mehrkörpersimulationssystemen herzustellen und somit den Einsatz muskuloskelettaler Menschmodelle zur virtuellen Absicherung ergonomischer Produkteigenschaften zu erleichtern. Neben einem Schema zur informationstechnischen Kopplung der CAD- und MKS-Datenstrukturen werden hierzu drei neue Klassen von CAD-Features entwickelt, welche die Anreicherung von Produktmodellen mit Informationen zur Mensch-Maschine-Interaktion ermöglichen. Dieses semantisch erweiterte Produktmodell bildet die Grundlage für ein auf mathematischer Optimierung basierendes prädiktives Simulationsverfahren zur Vorhersage physikalisch konsistenter Körperhaltungen und den damit verbundenen biomechanischen Beanspruchungsgrößen. In Summe führen diese Komponenten auf die Entwicklung eines integrierten Softwarewerkzeugs, das dem Produktentwickler die quantitative Analyse von Mensch-Maschine-Interaktionen im unmittelbaren Kontext des geometrischen Produktentwurfs ermöglicht.

Series
FAU Studien aus dem Maschinenbau
Series Nr.
333
Citation
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-250-5
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