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身体力学計算方法、身体力学計算プログラム及びそれを記録した記録媒体、身体力学モデル及びそのモデルデータを記憶した記録媒体 実績あり

国内特許コード P03P000439
整理番号 Y02-P027
掲載日 2003年12月22日
出願番号 特願2002-154853
公開番号 特開2003-339673
登録番号 特許第4212022号
出願日 平成14年5月29日(2002.5.29)
公開日 平成15年12月2日(2003.12.2)
登録日 平成20年11月7日(2008.11.7)
発明者
  • 中村 仁彦
  • 山根 克
  • 鈴木 一郎
  • 栗原 一貴
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 身体力学計算方法、身体力学計算プログラム及びそれを記録した記録媒体、身体力学モデル及びそのモデルデータを記憶した記録媒体 実績あり
発明の概要 【課題】 骨の幾何データと筋・腱・靭帯のデータを持った人体の詳細なモデルに対して順・逆動力学計算を高速に実行する。
【解決手段】 処理部は、力学計算の対象となるモデルデータを読み込み(S101)、身体モデルに与えられる、ワイヤ/バーチャルリンクの発生力fを読み込む(S103)。処理部は、現在の剛体リンクの角度・位置・速度を読み出し(S105)、各ワイヤの長さの関節角度に関するヤコビアンJを計算する(S107)。処理部は、求めたヤコビアンJに基づき、読み出した筋・腱・靭帯の発生力fを一般化力τに変換し(S109)、記憶する(S111)。処理部は、一般化力τを受けた結果発生する運動について、全身の剛体リンクの加速度を求め、各剛体リンクの速度及び位置を計算する計算し(S113)、記憶する(S115)。
従来技術、競合技術の概要


認知科学や医学分野では、人体の精密なモデルに基づく運動学・動力学的な解析の必要性が高まっている。例えば認知科学において脳の情報処理に関する研究を行うためには、関節にかかる力、筋肉や靱帯が発生する力など人間の身体性に近い情報が必要となる。また整形外科では、運動機能が最もよく回復できる手術法の定量的なプランニングが課題となっており、これを行うためには筋肉や骨の形状に基づく精密なシミュレーションが必要となる。



人体を精密にモデル化しようとする試みや、それを用いて運動解析を行った例は、以下に示す文献1~3のようなものがある。特に、文献2では運動学的な解析を行って筋長の変化を計算し、それを筋の生理学的なモデルにあてはめて筋力を計算している。また、文献3では、モデルの運動から筋力を計算している。
(文献1)
・ 鈴木、服部、富永、浦野:“高機能多目的三次元人体モデル(digital dummy)の製作とその応用(第2報)、”第18回IPA技術発表会、1999.
(文献2)
・ 鈴木、富永:“高機能多目的三次元人体モデル(digitaldummy)の製作とその応用(第3報)、”第19回IPA技術発表会、2000.(文献3)
・ M.G. Pandy and F.C. Anderson: “Dynamic Simulation of Human Movement Using Large-Scale Models of the Body,” Proc. IEEE Intl. Conf. Robotics and Automation,pp.676-681, 2000.(筋肉を含む人体の力学モデルの動力学解析)

産業上の利用分野


本発明は、筋・腱・靭帯・骨格に関する身体力学計算方法、身体力学計算プログラム及びそれを記録した記録媒体、身体力学モデル及びそのモデルデータを記憶した記録媒体に係る。本発明は、特に、人体、動物、生態等の身体の精密なモデルに基づく運動学・動力学的な解析の基礎となる骨格系、筋・腱・靱帯のモデル化、及び、このような解析を行うための筋・腱・靭帯モデルの動力学計算法に関する。



また、本発明の適用される技術としては次のようなものが例示される。
(1)人体又は生体等の身体モデル運動解析ソフトウェア
(2)人体又は生体等の身体モデル運動生成ソフトウェア
(3)ワイヤ駆動機構運動解析ソフトウェア
(4)ワイヤ駆動機構制御ソフトウェア

特許請求の範囲 【請求項1】 骨格を表す剛体リンクに関するデータ及び筋・腱・靭帯を表すワイヤ/バーチャルリンクに関するデータにより定義された身体モデルに対して、ワイヤ/バーチャルリンクに発生される力又は発生する力から剛体リンクの運動を計算する力学計算方法であって、

前記身体モデルは、
人体、生物又は動物等の身体の筋・腱・靱帯を表現したワイヤ及びワイヤ間に接続されるバーチャルリンクに関するデータと、骨を表現した剛体リンクに関するデータとで表現され、
前記剛体リンクは、複数自由度の関節を表現するジョイントで複数個が結合されて、骨格を構成し、
前記ワイヤは、前記剛体リンクで表された骨の所定個所に固定された始点及び終点間を結び、骨に固定された0個以上の滑りを許す経由点を通り、前記剛体リンクの動きに応じて長さと張力が変化し得るように構成され、
前記バーチャルリンクは、複数の前記ワイヤの始点又は終点が固定されるように構成され、
前記ワイヤ及び前記バーチャルリンクに発生される力及びワイヤの長さと前記剛体リンクの運動とが相互作用するようにした、
筋・腱・靭帯・骨格の身体モデルであり、

処理部は、力学計算の対象となる剛体リンク及びワイヤ/バーチャルリンクの形状及び力学データを含むモデルデータをモデルデータファイルから読み込むステップと、
処理部は、身体モデルに与えられる、ワイヤ/バーチャルリンクに発生される又は発生する発生力fを発生力ファイルから読み込むステップと、
処理部は、剛体リンクの角度・位置・速度を記憶した剛体リンクファイルから現在の剛体リンクの角度・位置・速度を読み出すステップと、
処理部は、モデルデータ及び剛体リンクの角度・位置・速度に基づき、各ワイヤの長さの関節角度に関するヤコビアンJを計算するステップと、
処理部は、求めたヤコビアンJに基づき、読み出した筋・腱・靭帯の発生力fを、次式により、剛体リンクの接続箇所での力である一般化力τに変換するステップと、
τ=J
処理部は、一般化力ファイルに求めた一般化力τを記憶するステップと、
処理部は、一般化力τと剛体リンクの現在の角度及び速度に基づき、一般化力τを受けた結果発生する運動について、全身の剛体リンクの加速度を求め、求めた加速度に基づき、順力学計算法により各剛体リンクの速度及び位置を計算するステップと、
処理部は、求めた剛体リンクの角度・位置・速度を剛体リンクファイルに記憶するステップと、
を含む筋・腱・靭帯・骨格の力学計算方法。
【請求項2】 骨格を表す剛体リンクに関するデータ及び筋・腱・靭帯を表すワイヤ/バーチャルリンクに関するデータにより定義された身体モデルに対して、剛体リンクに与えられる加速度からワイヤ/バーチャルリンクに発生される力又は発生する力を計算する力学計算法であって、

前記身体モデルは、
人体、生物又は動物等の身体の筋・腱・靱帯を表現したワイヤ及びワイヤ間に接続されるバーチャルリンクに関するデータと、骨を表現した剛体リンクに関するデータとで表現され、
前記剛体リンクは、複数自由度の関節を表現するジョイントで複数個が結合されて、骨格を構成し、
前記ワイヤは、前記剛体リンクで表された骨の所定個所に固定された始点及び終点間を結び、骨に固定された0個以上の滑りを許す経由点を通り、前記剛体リンクの動きに応じて長さと張力が変化し得るように構成され、
前記バーチャルリンクは、複数の前記ワイヤの始点又は終点が固定されるように構成され、
前記ワイヤ及び前記バーチャルリンクに発生される力及びワイヤの長さと前記剛体リンクの運動とが相互作用するようにした、
筋・腱・靭帯・骨格の身体モデルであり、

処理部は、力学計算の対象となる剛体リンク及びワイヤ/バーチャルリンクの形状及び力学データを含むモデルデータをモデルデータファイルから読み込むステップと、
処理部は、剛体リンクの角度・位置・速度を記憶した剛体リンクファイルから、現在の剛体リンクの角度・位置・速度を読み込み、また、剛体リンクに与えられる加速度を加速度ファイルから読み込むステップと、
処理部は、モデルデータ及び現在の剛体リンクの角度・位置・速度に基づき、各ワイヤの長さの関節角度に関するヤコビアンJを計算するステップと、
処理部は、加速度ファイルから読み出した剛体リンクの加速度と、剛体リンクファイルから読み出した角度及び速度に基づき、その剛体リンクについての与えられた加速度による運動を発生するのに必要な、剛体リンクの接続箇所での力である一般化力τを計算するステップと、
処理部は、一般化力ファイルに求めた一般化力τを記憶するステップと、
処理部は、先に求めたJに基づき、次式をfに対して解くことによって、一般化力τから各ワイヤ/バーチャルリンクに発生される発生力fを求めるステップと、
τ=J
処理部は、求めた剛体リンク発生力fを発生力ファイルに記憶するステップと、
を含む筋・腱・靭帯・骨格の力学計算方法。
【請求項3】 前記ヤコビアンJを計算するステップは、
ワイヤiがm個の経由点・端点を含むものとし、経由点・端点jからj+1までの距離をli、j、経由点又は端点jの位置をpi,j、θは関節角度、θ’は関節の角速度とすると、
(1)処理部は、モデルデータ及び現在の剛体リンクの角度・位置・速度からワイヤiのワイヤ長l及び経由点及び端点の位置pi,jを計算するステップと、
(2)処理部は、位置pi,jの関節角度θに関するヤコビアンJpi,jを計算して、
Li,j=li、j-1(pi,j+1-pi,j(Jpi,j+1-Jpi,j
により、距離li、jの関節角度θに関するヤコビアンJLi,jを計算するステップと、
(3)処理部は、求めたJLi,jのjについての総和によりJLiを求めるステップと、
(4)処理部は、JLiを集めてJ=[JL1L2 ・・・ JLi ・・・] より、ヤコビアンJを求めるステップと
を含む請求項1又は2に記載の力学計算方法。
【請求項4】 モデルデータとしては、
剛体リンクの形状データ、剛体リンクの質量・慣性モーメント・質量中心位置を含む力学データ、ワイヤの端点・経由点の位置データ、バーチャルリンクの形状データ、バーチャルリンクの力学データを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の力学計算方法。
【請求項5】 前記ワイヤ/バーチャルリンクに関するデータは、
(1)一部位を始点と終点のみからなる単純な1本のワイヤで置き換えるモデル
(2)一部位を始点と経由点と終点からなる1本のワイヤで置き換えるモデル
(3)一部位を複数のワイヤで置き換えるモデル
(4)一部位をバーチャルリンクと複数のワイヤで置き換えるモデル
(5)複合モデル
のうちいずれかのモデルのデータであることを特徴とする請求項1又は2に記載の身体力学計算方法。
【請求項6】 骨格を表す剛体リンクに関するデータ及び筋・腱・靭帯を表すワイヤ/バーチャルリンクに関するデータにより定義された身体モデルに対して、力学計算の対象となる剛体リンク及びワイヤ/バーチャルリンクの形状及び力学データを含むモデルデータと、剛体リンクの角度・位置・速度データとに基づき、ワイヤの長さの関節角度に関するヤコビアンJを計算する力学計算方法であって、
ワイヤiがm個の経由点・端点を含むものとし、経由点・端点jからj+1までの距離をli、j、経由点又は端点jの位置をpi,j、θは関節角度、θ’は関節の角速度とすると、
(1)処理部は、力学計算の対象となる剛体リンク及びワイヤ/バーチャルリンクの形状及び力学データを含むモデルデータをモデルデータファイルから読み込むステップと、
処理部は、剛体リンクの角度・位置・速度を記憶した剛体リンクファイルから現在の剛体リンクの角度・位置・速度を読み出すステップと、
処理部は、モデルデータ及び現在の剛体リンクの角度・位置・速度からワイヤiのワイヤ長l及び経由点及び端点の位置pi,jを計算するステップと、
(2)処理部は、位置pi,jの関節角度θに関するヤコビアンJpi,jを計算して、
Li,j=li、j-1(pi,j+1-pi,j(Jpi,j+1-Jpi,j
により、距離li、jの関節角度θに関するヤコビアンJLi,jを計算するステップと、
(3)処理部は、求めたJLi,jのjについての総和によりJLiを求めるステップと、
(4)処理部は、JLiを集めてJ=[JL1L2 ・・・ JLi ・・・] より、ヤコビアンJを求めるステップと
(5)処理部は、Jをヤコビアンファイルに記憶するステップと、
を含む筋・腱・靭帯・骨格の力学計算方法。
【請求項7】 骨格を表す剛体リンクに関するデータ及び筋・腱・靭帯を表すワイヤ/バーチャルリンクに関するデータにより定義された身体モデルに対して、ワイヤ/バーチャルリンクに発生される力又は発生する力から剛体リンクの運動を計算するための筋・腱・靭帯・骨格の力学計算プログラムであって、

前記身体モデルは、
人体、生物又は動物等の身体の筋・腱・靱帯を表現したワイヤ及びワイヤ間に接続されるバーチャルリンクに関するデータと、骨を表現した剛体リンクに関するデータとで表現され、
前記剛体リンクは、複数自由度の関節を表現するジョイントで複数個が結合されて、骨格を構成し、
前記ワイヤは、前記剛体リンクで表された骨の所定個所に固定された始点及び終点間を結び、骨に固定された0個以上の滑りを許す経由点を通り、前記剛体リンクの動きに応じて長さと張力が変化し得るように構成され、
前記バーチャルリンクは、複数の前記ワイヤの始点又は終点が固定されるように構成され、
前記ワイヤ及び前記バーチャルリンクに発生される力及びワイヤの長さと前記剛体リンクの運動とが相互作用するようにした、
筋・腱・靭帯・骨格の身体モデルであり、

処理部は、力学計算の対象となる剛体リンク及びワイヤ/バーチャルリンクの形状及び力学データを含むモデルデータをモデルデータファイルから読み込むステップと、
処理部は、身体モデルに与えられる、ワイヤ/バーチャルリンクに発生される又は発生する発生力fを発生力ファイルから読み込むステップと、
処理部は、剛体リンクの角度・位置・速度を記憶した剛体リンクファイルから現在の剛体リンクの角度・位置・速度を読み出すステップと、
処理部は、モデルデータ及び剛体リンクの角度・位置・速度に基づき、各ワイヤの長さの関節角度に関するヤコビアンJを計算するステップと、
処理部は、求めたヤコビアンJに基づき、読み出した筋・腱・靭帯の発生力fを、次式により、剛体リンクの接続箇所での力である一般化力τに変換するステップと、
τ=J
処理部は、一般化力ファイルに求めた一般化力τを記憶するステップと、
処理部は、一般化力τと剛体リンクの現在の角度及び速度に基づき、一般化力τを受けた結果発生する運動について、全身の剛体リンクの加速度を求め、求めた加速度に基づき、順力学計算により各剛体リンクの速度及び位置を計算するステップと、
処理部は、求めた剛体リンクの角度・位置・速度を剛体リンクファイルに記憶するステップと、
をコンピュータに実行させるための筋・腱・靭帯・骨格の力学計算プログラム。
【請求項8】 骨格を表す剛体リンクに関するデータ及び筋・腱・靭帯を表すワイヤ/バーチャルリンクに関するデータにより定義された身体モデルに対して、剛体リンクに与えられる加速度からワイヤ/バーチャルリンクに発生される力又は発生する力を計算するための筋・腱・靭帯・骨格の力学計算プログラムであって、

前記身体モデルは、
人体、生物又は動物等の身体の筋・腱・靱帯を表現したワイヤ及びワイヤ間に接続されるバーチャルリンクに関するデータと、骨を表現した剛体リンクに関するデータとで表現され、
前記剛体リンクは、複数自由度の関節を表現するジョイントで複数個が結合されて、骨格を構成し、
前記ワイヤは、前記剛体リンクで表された骨の所定個所に固定された始点及び終点間を結び、骨に固定された0個以上の滑りを許す経由点を通り、前記剛体リンクの動きに応じて長さと張力が変化し得るように構成され、
前記バーチャルリンクは、複数の前記ワイヤの始点又は終点が固定されるように構成され、
前記ワイヤ及び前記バーチャルリンクに発生される力及びワイヤの長さと前記剛体リンクの運動とが相互作用するようにした、
筋・腱・靭帯・骨格の身体モデルであり、

処理部は、力学計算の対象となる剛体リンク及びワイヤ/バーチャルリンクの形状及び力学データを含むモデルデータをモデルデータファイルから読み込むステップと、
処理部は、剛体リンクの角度・位置・速度を記憶した剛体リンクファイルから、現在の剛体リンクの角度・位置・速度を読み込み、また、剛体リンクに与えられる加速度を加速度ファイルから読み込むステップと、
処理部は、モデルデータ及び現在の剛体リンクの角度・位置・速度に基づき、各ワイヤの長さの関節角度に関するヤコビアンJを計算するステップと、
処理部は、加速度ファイルから読み出した剛体リンクの加速度と、剛体リンクファイルから読み出した角度及び速度に基づき、その剛体リンクについての与えられた加速度による運動を発生するのに必要な、剛体リンクの接続箇所での力である一般化力τを計算するステップと、
処理部は、一般化力ファイルに求めた一般化力τを記憶するステップと、
処理部は、先に求めたJに基づき、次式をfに対して解くことによって、一般化力τから各ワイヤ/バーチャルリンクに発生される発生力fを求めるステップと、
τ=J
処理部は、求めた剛体リンク発生力fを発生力ファイルに記憶するステップと、
をコンピュータに実行させるための筋・腱・靭帯・骨格の力学計算プログラム。
【請求項9】 骨格を表す剛体リンクに関するデータ及び筋・腱・靭帯を表すワイヤ/バーチャルリンクに関するデータにより定義された身体モデルに対して、ワイヤ/バーチャルリンクに発生される力又は発生する力から剛体リンクの運動を計算するための筋・腱・靭帯・骨格の力学計算プログラムを記録した記録媒体であって、

前記身体モデルは、
人体、生物又は動物等の身体の筋・腱・靱帯を表現したワイヤ及びワイヤ間に接続されるバーチャルリンクに関するデータと、骨を表現した剛体リンクに関するデータとで表現され、
前記剛体リンクは、複数自由度の関節を表現するジョイントで複数個が結合されて、骨格を構成し、
前記ワイヤは、前記剛体リンクで表された骨の所定個所に固定された始点及び終点間を結び、骨に固定された0個以上の滑りを許す経由点を通り、前記剛体リンクの動きに応じて長さと張力が変化し得るように構成され、
前記バーチャルリンクは、複数の前記ワイヤの始点又は終点が固定されるように構成され、
前記ワイヤ及び前記バーチャルリンクに発生される力及びワイヤの長さと前記剛体リンクの運動とが相互作用するようにした、
筋・腱・靭帯・骨格の身体モデルであり、

処理部は、力学計算の対象となる剛体リンク及びワイヤ/バーチャルリンクの形状及び力学データを含むモデルデータをモデルデータファイルから読み込むステップと、
処理部は、身体モデルに与えられる、ワイヤ/バーチャルリンクに発生される又は発生する発生力fを発生力ファイルから読み込むステップと、
処理部は、剛体リンクの角度・位置・速度を記憶した剛体リンクファイルから現在の剛体リンクの角度・位置・速度を読み出すステップと、
処理部は、モデルデータ及び剛体リンクの角度・位置・速度に基づき、各ワイヤの長さの関節角度に関するヤコビアンJを計算するステップと、
処理部は、求めたヤコビアンJに基づき、読み出した筋・腱・靭帯の発生力fを、次式により、剛体リンクの接続箇所での力である一般化力τに変換するステップと、
τ=J
処理部は、一般化力ファイルに求めた一般化力τを記憶するステップと、
処理部は、一般化力τと剛体リンクの現在の角度及び速度に基づき、一般化力τを受けた結果発生する運動について、全身の剛体リンクの加速度を求め、求めた加速度に基づき、順力学計算により各剛体リンクの速度及び位置を計算するステップと、
処理部は、求めた剛体リンクの角度・位置・速度を剛体リンクファイルに記憶するステップと、
をコンピュータに実行させるための筋・腱・靭帯・骨格の力学計算プログラムを記録した記録媒体。
【請求項10】 骨格を表す剛体リンクに関するデータ及び筋・腱・靭帯を表すワイヤ/バーチャルリンクに関するデータにより定義された身体モデルに対して、剛体リンクに与えられる加速度からワイヤ/バーチャルリンクに発生される力又は発生する力を計算するための筋・腱・靭帯・骨格の力学計算プログラムを記録した記録媒体であって、

前記身体モデルは、
人体、生物又は動物等の身体の筋・腱・靱帯を表現したワイヤ及びワイヤ間に接続されるバーチャルリンクに関するデータと、骨を表現した剛体リンクに関するデータとで表現され、
前記剛体リンクは、複数自由度の関節を表現するジョイントで複数個が結合されて、骨格を構成し、
前記ワイヤは、前記剛体リンクで表された骨の所定個所に固定された始点及び終点間を結び、骨に固定された0個以上の滑りを許す経由点を通り、前記剛体リンクの動きに応じて長さと張力が変化し得るように構成され、
前記バーチャルリンクは、複数の前記ワイヤの始点又は終点が固定されるように構成され、
前記ワイヤ及び前記バーチャルリンクに発生される力及びワイヤの長さと前記剛体リンクの運動とが相互作用するようにした、
筋・腱・靭帯・骨格の身体モデルであり、

処理部は、力学計算の対象となる剛体リンク及びワイヤ/バーチャルリンクの形状及び力学データを含むモデルデータをモデルデータファイルから読み込むステップと、
処理部は、剛体リンクの角度・位置・速度を記憶した剛体リンクファイルから、現在の剛体リンクの角度・位置・速度を読み込み、また、剛体リンクに与えられる加速度を加速度ファイルから読み込むステップと、
処理部は、モデルデータ及び現在の剛体リンクの角度・位置・速度に基づき、各ワイヤの長さの関節角度に関するヤコビアンJを計算するステップと、
処理部は、加速度ファイルから読み出した剛体リンクの加速度と、剛体リンクファイルから読み出した角度及び速度に基づき、その剛体リンクについての与えられた加速度による運動を発生するのに必要な、剛体リンクの接続箇所での力である一般化力τを計算するステップと、
処理部は、一般化力ファイルに求めた一般化力τを記憶するステップと、
処理部は、先に求めたJに基づき、次式をfに対して解くことによって、一般化力τから各ワイヤ/バーチャルリンクに発生される発生力fを求めるステップと、
τ=J
処理部は、求めた剛体リンク発生力fを発生力ファイルに記憶するステップと、
をコンピュータに実行させるための筋・腱・靭帯・骨格の力学計算プログラムを
記録した記録媒体。
国際特許分類(IPC)
Fターム
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