wykorzystanie programów komputerowych w symulacji procesów

wykorzystanie programów komputerowych w symulacji procesów

1/2011
Technologia i Automatyzacja Montażu
WYKORZYSTANIE PROGRAMÓW KOMPUTEROWYCH
W SYMULACJI PROCESÓW BIOMECHANICZNYCH
Grzegorz OROŃ
Jak pokazują badania statystyczne, coraz więcej
osób wymaga dodatkowego wspomagania podczas poruszania się. Metody leczenia oraz korekcji wad postawy możemy podzielić na operacyjne i zachowawcze
[1]. Metody operacyjne polegają na przeszczepieniu
chorych elementów kości, ścięgien i mięśni lub wszczepieniu elementów zastępczych, które w sposób jak najbliższy rzeczywistości będą zastępowały chore elementy ciała ludzkiego.
Metody zachowawcze dążą do konstruowania oraz
budowy specjalnego sprzętu dla sportowców oraz ludzi
niepełnosprawnych w celu polepszenia ich wyników ruchowych oraz postępów rehabilitacyjnych. Właśnie w tej
dziedzinie szczególnie ważną rolę odgrywają komputerowe programy symulacyjne wspomagające konstruktorów w ich pracy.
Metody operacyjne, ingerujące w ciało ludzkie zawsze niosą za sobą ryzyko i narażają zdrowie oraz życie
pacjentów. W czasach powszechnego dostępu do technologii informatycznych dążymy do maksymalnego wyeliminowania ryzyka poprzez zastosowanie specjalistycznych programów komputerowych. Nowoczesne
systemy wspomagania projektowania są nieodzownymi
narzędziami dla konstruktorów realizujących projekty dla
biomechaniki oraz biomedycyny.
Podczas konstrukcji elementów biomedycznych konstruktor spotyka się z wieloma niedogodnościami związanymi z koniecznością przewidywania warunków, w jakich będą pracowały jego urządzenia.
W celu zwiększenia efektywności i zapewnienia
większej
niezawodności
tworzonych
elementów,
w ostatnich czasach nastąpił znaczny wzrost zainteresowania programami, które umożliwiają stworzenie modelu projektowanego mechanizmu i odpowiednie zasymulowanie jego działania już na etapie fazy konstrukcyjnej. Następnym bardzo ważnym aspektem jest problem odwzorowania i symulacji sposobu poruszania się
człowieka. Podobnie jak poprzednio tak i tu z pomocą
człowiekowi przychodzi nowoczesna technika komputerowa oferująca systemy umożliwiające zrealizowanie
wymienionego postulatu.
W dalszej części tego artykułu zostaną przedstawione nowoczesne sposoby umożliwiające wizualizację
ruchu człowieka oraz programy wspomagające
konstrukcję maszyn biomedycznych. Szczególny nacisk
zostanie położony na możliwości, jakie oferują nam
technologie wizualizacji, oraz na przegląd rozwiązań
dostępnych dla firm i użytkowników prywatnych.
38
Komputerowe modele ciała ludzkiego
Wszystkie nowe symulacje oraz procesy zrostów
kostnych, złamań, a także ruchu i funkcjonowania poszczególnych części ciała mogą zostać wcześniej zamodelowane i sprawdzone za pomocą specjalistycznego oprogramowania, które w połączeniu z odpowiednio do tego celu przystosowanymi komputerami, pozwala w bardzo efektywny sposób uprościć pracę inżynierów, lekarzy, a w konsekwencji uratować zdrowie
i życie wielu pacjentom.
Podstawową strukturą ciała ludzkiego jest szkielet.
Zamodelowanie ruchu postaci, a także wszystkich oddziaływań między poszczególnymi częściami organizmu
zaczyna się od zamodelowania kości i łączących je stawów [1]. Należy przy tym pamiętać, że szkielet powinien
być traktowany jako bryła sztywna. Żaden z elementów
kostnych nie zmienia swoich wymiarów. Taki układ doskonale sprawdza się w odwzorowaniu ruchu ciała
człowieka i stanowi podstawę do testowania i analizy
urządzeń, które mają za zadanie przywrócić ewentualnych pacjentów do sprawności ruchowej, którą utracili
np. w wyniku wypadków lub szeroko pojmowanych urazów. W przypadku modelowania konkretnej struktury
wybranego stawu należy skupić się tylko na procesach
biomechanicznych, jakie w danym modelu będą występowały. Jest to związane z optymalizacją czasu pracy
urządzeń, na których będzie wykonywana symulacja.
Możemy wyróżnić bardzo wiele różnych modeli ciała
ludzkiego. Ze względu na zakres tematyczny tego artykułu ograniczymy się tylko do tych symulacji, które wykorzystują zależności mechaniczne i kinematyczne rozważanych układów.
Model antropometryczny [1] był jednym z pierwszych
modeli ciała ludzkiego, jakie udało się stworzyć jako
symulację. Podstawową warstwę projektowania stanowi
tu szkielet postaci. Dzięki niemu wszystkie elementy,
wliczając w to mięśnie i stawy, zajmują prawidłową pozycję w modelu. Zachowane są przy tym także proporcje ciała ludzkiego.
Drugą grupę stanowią modele wykorzystywane do
badania gwałtownego i niekontrolowanego ruchu ciała
ludzkiego. Modele te uwzględniają oddziaływania pomiędzy poszczególnymi stawami oraz dynamikę stawów
i więzadeł przy zadanych obciążeniach symulacyjnych.
Taki model znajduje szerokie zastosowanie w symulacjach zderzeń samochodów, kiedy to można obserwować reakcje ludzkiego ciała w ekstremalnych sytuacjach
Technologia i Automatyzacja Montażu
zderzeń, mając przy tym pełną kontrolę nad wszystkimi
parametrami procesu [1].
Rys. 1. Model do cash-testów [1]
Następną dużą grupą modeli są modele geometryczne i dynamiczne. Modele te opierają się na wykorzystaniu skomplikowanych algorytmów obliczeniowych
do odtworzenia dokładnej pracy poszczególnych elementów kości, stawów oraz mięśni. Modele zaliczane do
tej grupy w bardzo dokładny sposób odzwierciedlają
rzeczywiste zachowania się symulowanych procesów.
Podaje się sposób dokładności danego eksperymentu
i program komputerowy dokonuje odpowiednich obliczeń oraz przeprowadza symulację [1]. Wadą tej metody jest stosunkowo długi czas obliczeń, szczególnie
w przypadku wymagania bardzo dokładnego odwzorowania pracy symulowanego elementu.
Rys. 2. Autonomiczny model ciała ludzkiego [1]
Łącząc opisywane wcześniej modele, możemy zdefiniować jeden główny model, który będzie spełniał
wszystkie wymagania, jakie stawia medycyna i bioinżynieria przed oprogramowaniem służącym do symulowania pracy poszczególnych części ciała ludzkiego. Taki
ostateczny model będziemy nazywać biomechanicznym
modelem symulacyjnym ciała ludzkiego. Opis ten będzie
musiał łączyć w sobie dobrze skonfigurowany szkielet
podstawowy, dobrze zrealizowane algorytmy obliczeniowe kinematyczne i mechaniczne, a także uwzględniać prawidłowe proporcje projektowanych układów.
Model biomechaniczny musi w bardzo dokładny sposób
1/2011
odwzorowywać procesy, jakie zachodzą w ludzkim organizmie, w przeciwnym razie skutki ewentualnych pomyłek mogą być katastrofalne i mieć bezpośredni wpływ
na zdrowie i życie ludzi [1].
Dlatego do realizacji wyżej opisanych modeli stosujemy zaawansowane pakiety zawierające wielomodułowe oprogramowanie, które do działania wymagają
szybkich i odpornych na długotrwałą pracę maszyn.
Biomechaniczna analiza ludzkiego chodu najczęściej
opiera się na technice Motion Capture [1]. W połowie
XX wieku znano tylko dwie techniki realizacji symulacji
ruchu poszczególnych części ciała ludzkiego. Pierwsza
polegała na rejestrowaniu ruchu osoby (pacjenta) poprzez analizę filmu wideo, na którym wykonywał on
określone przez lekarza czynności. Druga metoda opierała się na wprowadzaniu w ruch modeli wcześniej wykonanych w komputerze. Obie te metody dawały jednak
bardzo niezadowalające efekty. Uzyskiwane modele nie
dawały należytej płynności ruchu oraz nie odzwierciedlały w należytym stopniu rzeczywistego zachowania się
poszczególnych fragmentów modelowanego ciała. Sytuacja taka utrzymywała się do początku lat 70.
XX wieku, kiedy to pojawiła się metoda Motion Capture,
która zaadaptowana na platformy komputerowe pozwoliła zmienić oblicze badań biomedycznych. W latach
1979 – 1983 na Simon Fraser University w Stanach
Zjednoczonych trwały bardzo intensywne prace prowadzone przez biomechaników nad zastosowaniem modeli
komputerowych do analizy ludzkiego ruchu. Rozwój
techniki Motion Capture od tego czasu następował bardzo szybko z powodu wykorzystywania jej w technikach
telewizyjnych i symulacji komputerowych. W roku 1988
za pomocą tej techniki stworzono marionetkę Waldo,
występującą w popularnym programie dla dzieci
„Muppety”. Przewagą modeli tworzonych w technice
Motion Capture jest zachowanie dobrego odwzorowania
płynności ruchu oraz wysoki poziom realizmu zachowania się poszczególnych punktów na ciele danego modela. Ogólnie technika Motion Capture służy do rejestrowania ruchu ludzi bądź innych obiektów. Ponieważ
w biomechanice zależy nam na jak najwierniejszym zamodelowaniu sposobu pracy poszczególnych partii ciała
ludzkiego, w tym: kości, stawów, mięśni, a w rezultacie
ruchu całego ciała, technika ta została szybko wdrożona
do prac medycznych i jest obecnie najszerzej wykorzystywaną metodą diagnostyki i leczenia wad postawy
i urazów kostnych.
W celu wyjaśnienia zasady działania systemu posłużmy się przykładem rejestracji ruchu pacjenta. Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje systemów:
optyczne i magnetyczne. Systemy te różnią się sposobem przenoszenia i archiwizacji danych.
W metodzie optycznej na ciele pacjenta są umieszczane specjalne czujniki odblaskowe zwane markerami
[1]. Wybór miejsc, na których umieszczamy markery,
zależy od wskazań lekarza dotyczących obserwacji odpowiednich partii organizmu. Liczba umieszczanych
39
1/2011
znaczników zależy od stopnia dokładności, jaki chcemy
uzyskać oraz od czasu i sprzętu, jakim dysponujemy.
Jeżeli zależy nam na większej dokładności, musimy się
liczyć z faktem dłuższego czasu, jaki będziemy musieli
poświęcić na obróbkę otrzymanych danych, co w momencie nagłych przypadków medycznych może mieć
ogromne znaczenie również dla życia i zdrowia pacjenta. Zazwyczaj ostateczna liczba markerów, która
wystarcza do analiz medycznych, wynosi kilkanaście.
Tak naniesione na ciało pacjenta znaczniki są obserwowane przez specjalne kamery. Nie filmują one ruchu
całego obiektu metodą klatkową [3], ale rejestrują tylko
sposób przemieszczania się markerów na ciele pacjenta. Używane kamery działają zazwyczaj w podczerwieni i rejestrują odbicie fali od punktów przytwierdzonych do organizmu chorego. Takie postępowanie
znacznie ułatwia późniejszą programową obróbkę danych, ponieważ zbierane informacje są już wstępnie
przefiltrowanymi trajektoriami poruszania się poszczególnych punktów. Minimalna liczba kamer, jaka może
być zastosowana do takiego badania, wynosi 6, ponieważ tyle niezależnych współrzędnych należy podać, aby
jednoznacznie opisać położenie punktu w przestrzeni.
Jednak musimy pamiętać o tym, że jest to zupełne minimum i w celu uzyskania większej dokładności stosuje
się zwykle dużo więcej kamer. Takim optymalnym rozwiązaniem, które łączy w sobie zarówno zadowalającą
dokładność odwzorowania toru ruchu poszczególnych
punktów , jak i odpowiednią szybkość ich analizy w programach komputerowych, wynosi 12. Nic jednak nie stoi
na przeszkodzie, żeby w przypadku konieczności uzyskiwania bardzo dokładnych modeli, które z dużą liczbą
szczegółów będą odzwierciedlały rzeczywistość, zwiększać stopniowo liczbę rejestratorów aż do momentu
uzyskania zadowalającego rezultatu.
Technologia i Automatyzacja Montażu
Systemy magnetyczne różnią się rodzajem zastosowanych czujników [1]. W tym przypadku będą to markery magnetyczne, a rejestratory będą obserwować
zmianę pola magnetycznego, która zostanie wywołana
przez poruszający się czujnik. Takie rozwiązanie jest
bardzo rzadko stosowane, ponieważ jest znacznie droższe niż równoważny system optyczny. Dodatkową wadą
tego systemu jest trudność realizacji, ponieważ ewentualny pacjent musiałby mieć na sobie o wiele więcej
czujników i przewodów niż w przypadku zastosowania
systemu optycznego. Ma to szczególne znaczenie
w przypadku dzieci oraz osób z porażeniem mózgowym,
ponieważ w przypadku zastosowania metody magnetycznej masa osprzętu niesionego przez pacjenta gwałtownie wzrasta i przeprowadzenie badania stałoby się
niemożliwe. W systemach magnetycznych możemy jednak znaleźć bardzo dużą zaletę w porównaniu z systemami optycznymi, mianowicie pozwalają na uzyskanie
obrazu modelu symulacyjnego w czasie rzeczywistym.
Umożliwia to śledzenie obiektu na bieżąco podczas wykonywania ruchu i daje możliwość wprowadzenia
ewentualnych poprawek. W przypadku zastosowania
systemów optycznych, w celu wprowadzenia korekty ruchu chociaż jednego elementu musimy powtórzyć identyczny ruch całej sekwencji, co jest szczególnie utrudnione w momencie szybko poruszających się obiektów
lub w przypadku pacjentów, którzy z racji swoich dolegliwości wykonują dużo niekontrolowanych ruchów.
Podsumowując, systemy oparte na technologii Motion Capture służą do tworzenia modelu ruchu obiektu.
Z opisanych dwóch metod realizacji tej technologii zarówno jedna, jak i druga nie są pozbawione wad. Jednak szybki rozwój medycyny i inżynierii pozwala sądzić,
że różnice pomiędzy systemami będą się zacierać,
a technika ta będzie coraz bardziej dostępna i pomocna
w eliminacji, leczeniu i korekcji różnych nieprawidłowości, jakie pojawiają się w czasie dorastania i rozwoju ludzi.
Systemy tworzenia i analizy obrazu
Rys. 3. Przykładowy model symulacji ruchu człowieka [1]
Takie bardziej rozbudowane analizy uzyskiwania
modeli stosuje się prawie zawsze w tworzeniu grafiki
w grach komputerowych, gdzie zachodzi dążenie do jak
najlepszego skopiowania ruchu żywych postaci do
świata wirtualnego, a także w sporcie przy analizie ruchu ciała zawodnika zwłaszcza w dyscyplinach lekkoatletycznych.
40
Wraz z rozwojem techniki informatycznej naukowcy
i animatorzy otrzymali nowe narzędzia do tworzenia
i analizy biomechanicznego obrazu ruchu. Na początku
stosowano programy, które tworzyły model poruszającej
się osoby na podstawie pojedynczych klatek wprowadzanych do bazy danych programu. Komputer analizował wprowadzony materiał i próbował połączyć poszczególne klatki ze sobą, przewidując sekwencję ruchu
punktów między każdą z klatek [3]. Mimo iż były to klatki
kluczowe, tzn. takie, które reprezentowały najistotniejsze mankamenty danego ruchu, uzyskane efekty nie
były zadowalające. Ze względu na złożoność ruchu
człowieka programy analizujące nie radziły sobie w należyty sposób z wygenerowaniem wszystkich mankamentów, co prowadziło do niepełnych wyników końcowych analiz, oraz w rezultacie do możliwości postawie-
Technologia i Automatyzacja Montażu
nia błędnej diagnozy. Dalszy rozwój techniki komputerowej oraz pojawienie się systemów analizy ruchu Motion Capture spowodowało opracowanie całych systemów komputerowych, które w swoim działaniu łączą algorytmy działania, które potrafią analizować i przetwarzać zarówno dane zgromadzone w wyniku zwykłego
filmowania techniką poklatkową, jak i uzyskane metodami śledzenia markerów znanej z Motion Capture.
Można wyróżnić dwa pakiety programów przeznaczonych do obróbki i analizy obrazu ruchu. Są to: Life
Forms i TRAF [3].
Life Forms to program firmy Credo Interactive. Pakiet
posiada bardzo wiele możliwości, a jego przewodnim
zastosowaniem jest tworzenie modeli animacji ruchu
postaci ludzkich. Ma jasny, przejrzysty interfejs. Użytkownik ma do dyspozycji zarówno szereg gotowych
modeli całego organizmu ludzkiego, jak i pojedynczych,
wybranych jego części. System umożliwia wprowadzenie własnych zewnętrznych danych pochodzących
z systemu Motion Capture i stworzenia na podstawie
analiz matematycznych. Możemy też porównać ze sobą
model stworzony z eksperymentu rzeczywistego z modelem czysto teoretycznym i przeprowadzić analizę różnic.
Rys. 4. Interfejs systemu Life Forms [1]
Te wszystkie czynniki powodują, że istnieje możliwość wykorzystania tego oprogramowania do badań
prowadzonych w biomedycynie oraz w pracach inżynierskich dotyczących analizy kinematycznej i mechanicznej ruchu ciała ludzkiego. Program umożliwia tworzenie animacji oraz filmów ze stworzonych modeli,
które możemy później wykorzystywać do różnych celów.
Wszystko to czyni z programu Life Forms bogate narzędzie do symulacji i tworzenia modeli ruchowych organizmu ludzkiego.
Rys. 5. Przykład zastosowania symulacyjnego programu
Adams [7]
1/2011
Drugim wartym uwagi programem jest TRAF (ang.
Tool for Creation of Realistic Animation of human – like,
Figures). Pakiet ten został w całości zaprojektowany na
Politechnice Wrocławskiej w ramach działającego tam
Koła Naukowego Studentów TRAF [3]. Program ma budowę modułową. Zawiera moduły: syntezy, analizy, baz
danych oraz interfejsu. Podobnie jak poprzedni program, pakiet zapewnia bardzo duże możliwości analizy
i interpretacji danych ruchowych uzyskanych za pomocą
systemu Motion Capture. Oprogramowanie analizuje
dane zebrane w bazie danych i tworzy dokładny model
ruchowy danej postaci. Istnieje także możliwość ręcznego wprowadzenia trajektorii ruchu danego punktu
i powiązania go z innymi wcześniej uzyskanymi np.
drogą eksperymentu.
Programy symulujące pracę stawów
W poprzednim punkcie przedstawiono programy,
które umożliwiają tworzenie modeli symulacyjnych ruchu
ciała ludzkiego. W biomechanice i biomedycynie często
zdarza się, że zachodzi potrzeba zaprojektowania elementu znajdującego się bezpośrednio w ciele pacjenta
bądź związanego z nim stale na określony czas. Takimi
elementami są stabilizatory kostne zewnętrzne
i wewnętrzne [6]. Ponieważ elementy te mają bezpośredni kontakt z ciałem ludzkim, działanie wszystkich
elementów podzespołów oraz dobór użytych materiałów
musi być dokładnie sprawdzony i przebadany, zanim
będzie możliwość przeprowadzania testów praktycznych
na konkretnych osobach. Do tego celu przeznaczone są
programy zapewniające możliwość symulacji konstruowanego elementu już na etapie projektowania. Spośród kilku dostępnych programów zapewniających możliwość badania kinematyki i mechaniki poszczególnych
elementów, trzy najpowszechniej używane to: Working
Model 2D, Working Model 3D i Adams. Docelowe przeznaczenie tych programów jest dużo szersze niż modelowanie kości, stawów, mięśni i symulowanie ich działania w połączeniu z elementami nieorganicznymi. Są to
bardzo rozbudowane pakiety służące do projektowania
różnych elementów konstrukcyjnych o szerokim zakresie zastosowań. Świetnie sprawdzają się w projektowaniu dużych maszyn budowlanych, środków transportu,
procesów technologicznych, elementów mikromechaniki
i innych rzeczy związanych z zagadnieniami inżynierskimi.
Pierwsze dwa z opisywanych programów to: Working
Model 2D i Working Model 3D [5, 7] wykonane przez
firmę MSC Working Knowledge. Jak wskazują oznaczenia w nazwach oprogramowania, pierwsze jest przeznaczone do tworzenia i symulacji elementów płaskich,
drugie natomiast służy to tworzenia modeli przestrzennych. Program Working jest oparty na zasadzie symulacji numerycznej służącej do przeprowadzania analiz
symulacji dwuwymiarowych i trójwymiarowych z zakresu
kinematyki i dynamiki mechanizmów. Pakiet posiada
41
1/2011
moduły umożliwiające symulację procesów z zakresu fizyki newtonowskiej, kolizję ciał, przeprowadzenie analizy ruchu drgającego z zakresu teorii mechanizmów
oraz analizy quasi-statyczne. Z użytkownikiem program
komunikuje się za pomocą przejrzystego i intuicyjnego
interfejsu, który jest prosty w obsłudze nawet dla mniej
zaawansowanych użytkowników. Cecha ta powoduje,
że program ten może być zastosowany do celów szkoleniowych, co z kolei zwiększa zakres jego zastosowań.
Dodatkową zaletą programów Working jest kompatybilność i współpraca z innymi programami inżynierskimi,
głównie z narzędziami typu CAD [2] (mowa tutaj o takich
rozszerzeniach, jak popularny format DXF, formaty tablic ACSI, SAT oraz format stereolitografii STL i wiele innych). Stanowi to ważną cechę, jeżeli założymy, że poszczególne elementy projektowanych układów są często
wykonywane w różnych miejscach i firmach, a co za tym
idzie w różnych programach.
Trzecim wymienionym wcześniej programem jest
system Adams [6]. Podobnie jak poprzedni program,
Adams jest bardzo rozbudowanym pakietem do tworzenia symulacji inżynierskich. Projektowanie elementów
w tym systemie zaczyna się od orientacji w przestrzeni
punktów głównych, osi oraz płaszczyzn należących do
danego przedmiotu. Następnie program uzupełnia stworzone zarysy konturowe o element grafiki przestrzennej
[2] i powstaje gotowy model trójwymiarowy danego podzespołu. Bardzo dużą zaletą tego programu jest możliwość doboru cech konstrukcyjnych materiałów i samych
materiałów do konstrukcji poszczególnych części. Możemy nawet symulować materiały organiczne, z których
są zbudowane poszczególne kości, tkanki ciała, mięśnie
itp. Jest to szczególnie przydatne podczas projektowania elementów pracujących w środowisku bioorganicznym, np. w organizmie pacjenta, ponieważ pozwala już
na etapie projektowania zasymulować i zaobserwować
procesy organiczne, jakie będą zachodzić w organizmie
podczas długotrwałego użytkowania np. stabilizatorów
kostnych.
Takie możliwości nabierają jeszcze większego znaczenia, jeżeli nadmienimy, że ok. 10% powikłań po zabiegach wszczepiania stabilizatorów wewnętrznych oraz
innych protez, ma swoje źródło w złym doborze materiałów, z których są wykonane poszczególne części mechanizmów. Prawdopodobnie dałoby się uniknąć połowy
z nich, gdyby odpowiednio poważnie potraktowano
sprawę zgodności materiałów na etapie konstrukcyjnym.
Ponadto program posiada bardzo zaawansowany moduł
odpowiadający za symulację. Możemy przeprowadzać
analizy drgań tłumionych i nietłumionych [6], symulować
rozmaite funkcje matematyczne i fizyczne, w tym funkcje wymuszające, profile prędkości, przyśpieszenia, jak
również obciążenia siłami liniowymi i nieliniowymi. Te
wszystkie czynniki czynią z omawianego programu równorzędnego konkurenta dla programu Working, ponieważ pod względem możliwości i użyteczności niczym od
niego nie odbiega.
42
Technologia i Automatyzacja Montażu
a)
b)
Rys. 6. Model stawu biodrowego wykonany w programie
Adams: a) – podczas trybu tworzenia, budowy, b) – po wykonaniu renderingu, wersja końcowa [6]
Podsumowanie
W artykule opisano możliwości, jakie dają inżynierom
konstruktorom nowoczesne systemy komputerowe
wspomagające projektowanie.
Następnie skupiono się na modelach ciała ludzkiego.
Omówiono, jakie elementy danego modelu powinny być
analizowane dokładniej w zależności od zastosowania
modelu. W tej części zostały jednocześnie wymienione
podstawowe rodzaje modeli symulacyjnych, jakie stosuje się w pracach inżynierskich. W skrócie omówiono
również przykłady zastosowań poszczególnych modeli.
Główna część artykułu została poświęcona technice
Motion Capture jako metodzie otrzymywania modeli
ludzkiego organizmu, która jest dziś spotykana powszechnie i stosowana do wielu różnych projektów. Na
uwagę zasługuje również rewolucyjność tej techniki
i przełom, jaki dzięki niej dokonał się w pracach nad metodami analitycznymi rekonstrukcji pracy ludzkiego organizmu.
Należy zwrócić szczególną uwagę na szeroki wachlarz zastosowań, jaki oferuje nam takie oprogramowanie i na możliwości, jakie dzięki nim uzyskujemy w porównaniu z metodami klasycznymi wykorzystywanymi
dawniej. Trzeba jednak zaznaczyć, że wszystkie opisywane programy są komercyjne, a koszty dostępu do
tych technologii wciąż są bardzo wysokie.
Patrząc na tempo rozwoju branży informatycznej,
możemy przypuszczać, że w najbliższych latach będziemy oglądać dalszy, dynamiczny rozwój opisywanych systemów i staną się one ogromną szansą dla ludzi potrzebujących pomocy ortopedycznej oraz tych,
którym choroby układu ruchu przeszkodziły w normalnym życiu.
Opisana w artykule technika Motion Capture przede
wszystkim służy do diagnozy oraz analizy ludzkiego ruchu. Jej zastosowanie pozwala w bardziej trafny sposób
ocenić potrzeby ludzi, którzy doznali urazów. Prowadzi
to do ułatwienia pracy konstruktorom tworzącym narzędzia wspomagające ruch osób niepełnosprawnych oraz
przyśpieszające proces leczenia.
Wnioski
Ponieważ modele symulacyjne stają się coraz bardziej dokładne, a przy tym oprogramowanie kompute-
Technologia i Automatyzacja Montażu
rowe odwzorowuje rzeczywistość coraz bardziej wiarygodnie, za pomocą oprogramowania możemy symulować procesy biomechaniczne ludzkiego organizmu. To
sprawia, że proces konstrukcji urządzeń dla sportowców
lub ludzi chorych skraca się w znaczący sposób.
Już na etapie projektowania inżynier ma do dyspozycji narzędzia symulacyjne, które pozwalają ocenić, w jakim stopniu jego koncepcja ma szansę sprawdzić się
w zastosowaniu u pacjenta pod kątem danego procesu
biomechanicznego. Dodatkową zaletą programów symulacyjnych jest posiadanie modułów obliczeniowych,
które mogą poddać stworzony model próbom symulacyjnym i odpowiedzieć na pytania dotyczące wytrzymałości
lub innych istotnych parametrów na wczesnym etapie
projektowania.
Programy omówione w artykule służą do przeprowadzania konstruowania i symulacji poszczególnych części, a także całych gotowych zespołów mechanizmów.
Znajdują bardzo szerokie zastosowanie w biomedycynie, ponieważ pozwalają na sprawdzenie zachowania
się poszczególnych elementów podczas pracy w zmiennie różnych środowiskach oraz umożliwiają dobór odpowiednich parametrów pracy bez konieczności tworzenia
drogich i niewygodnych prototypów, które muszą podlegać dodatkowym eksperymentom. Często wymaga to
dużego zaangażowania, czasu i pieniędzy firm zajmujących się konstrukcją tego typu urządzeń. Wszystko to
powoduje, że programy konstrukcyjne tego typu będą
coraz częściej wdrażane do prac nad innowacjami biomedycznymi i inżynierskimi.
1/2011
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Bagiński P.: Metody optymalnego łączenia sekwencji ruchu animowanych postaci ludzkich. Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki. Wrocław
2003.
Foley J.D., Van Dam A., Feiner S.K., Hughes J.F.,
Phillips R.L.: Wprowadzenie do grafiki komputerowej. WNT, Warszawa 2001.
Kucharski T.: Modelowanie kształtu i ruchu
modelowanych postaci. Politechnika Warszawska,
Wydział Elektroniki. Wrocław, 2005.
Maurel W.: 3D Modeling of the Human Upper Limb
Including the Biomechanics of Joints, Muscles and
Soft Tissues. Ph.D. Thesis no 1906, Laboratoire d'Infographie – Ecole Polytechnique Federale de
Lausanne 1999.
Dindorf R.: Modelowanie sztucznych układów misiowych z aktuatorami pneumatycznymi [online]. Medical Collage – Jagiellonian University, 2005, dostęp
[2008-05-23].
Piszczatowski S., Okoński M., Skalski K.: Komputerowe modelowanie porażonego stawu biodrowego
na podstawie danych tomograficznych [online].
MEDSPORTPRES, 2006, dostęp [2008-06-02].
Energocontrol.: „EC Engineering. Funkcjonowanie
w ramach Grupy Energocontrol”, [online], Energocontrol, 2005, dostęp [2008-06-02].
________________________
Mgr inż. Grzegorz Oroń jest pracownikiem Instytutu Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego w Warszawie.
ciąg dalszy ze str. 32
Measurement assisted robotic assembly of fabricated aero-engine components.
Zrobotyzowane pomiary przy montażu elementów
silników lotniczych.
Celem niniejszej pracy jest opis procesu montażu silników lotniczych wykonywanych za pomocą zrobotyzowanych pomiarów, a także ocena ich możliwości. Opisany w artykule system wykorzystuje czujniki pomiarowe w celu ustalenia dokładnej lokalizacji części przed
montażem. Podstawą systemu jest zestaw algorytmów
umożliwiający najlepsze dopasowanie danych pomiarowych w celu znalezienia optymalnego sposobu montażu
komponentów. W artykule przedstawiono techniki kompensacji deformacji występujących w metalowych częściach silnika lotniczego i możliwości obsługi błędów
tych części. Przedstawiany system zmniejsza zależność
dokładności części od uchwytów, gdyż wykorzystuje laserowo sterowane roboty. Gwarantuje to, że system jest
bardzo elastyczny i rekonfigurowalny.
Integrated laser cell for combined laser cladding
and milling.
Zintegrowane stanowisko laserowe umożliwiające
frezowanie i napawanie.
Technologie systemów laserowej obróbki materiałów
stały się już niezbędnym narzędziem dla przemysłu
wytwórczego i remontowego silników i turbin. Laserowe
spawanie jest podstawową technologią, zwłaszcza teraz, gdy liczy się wydajność i koszty operacji oraz dokładność lokalizacji, kształtu i wymiarów spoiny w obszarze spawanym (naprawianym). Koncepcja włączania
laserowych modułów do obrabiarek standardowych
sprawia, że technologie te stają się łatwo dostępne dla
użytkownika i bardzo sprawnie łączą procesy spawania
i cięcia metali. Specjalnie zaprojektowany system laserowy jest dostępny jako dodatek do zestawów różnych
obrabiarek. Użytkownicy systemu mogą korzystać
z szerokiej gamy głowic roboczych, podajników materiałów spawalniczych oraz urządzeń do kontroli procesu.
Przyjazne dla użytkownika oprogramowanie wspomaga
43