AnyBody Modeling System 소개

AnyBody Modeling System 소개

• AnyBody Modeling System(AMS)은 사용자가 근골격 인체모델을 모델링하고 동역학 해석을 할 수 있으며, 인체 모델에 모션을 적용하여 인체모델의 관절력, 근력 및 근활성도를 확인할 수 있습니다. 

 

• AMS는 동작 분석, 제품 디자인 최적화, 웨어러블 로봇, 재활 보조기기, 스포츠 및 자동차 분야 등 다양한 분야에서 인체모델의 동적 시뮬레이션과 제품 설계에 활용되고 있습니다. 

 

 

• AMS는 역동역학(Inverse dynamics)기반의 해석 수행이 가능합니다. Inverse dynamics는 주어진 운동 상태에 대해서 힘과 토크를 계산하는 것을 말합니다. 쉽게 말해, 물체가 어떻게 움직이는지 알고 있을 때, 그 움직임을 가능하게 하는 힘을 찾아내는 것입니다. 반대로 주어진 힘이나 토크를 이용해 물체의 움직임을 예측하는 것은 Forward dynamics라고 합니다. 

 

 

• AMS의 해석 프로세스는 주어진 모션과 힘, 인체모델, 그리고 인체모델을 제외한 외부 요소(Exoskeleton 등)을 통합하여 해석을 수행하여 인체모델의 관절력, 근력, 근활성도 및 신진대사에너지 등을 확인할 수 있습니다. 이 결과를 통해 제품의 설계변경과 최적화가 가능하게 됩니다. 

AnyBody Modeling System 과 AnyBody Managed Model Repository

• AnyBody는 AMS와 AMMR로 구성됩니다. 
  • AMS는 다양한 인체모델링 및 해석을 수행하는 소프트웨어 플랫폼입니다. 
  • AMMR은 AMS에서 사용하는 표준화된 인체모델 데이터 베이스 입니다. 
    

    

    
    
    
  • AMMR은 일상생활의 다양한 동작의 인체모델을 여러 목적에 따라 사용이 가능한 모델 라이브러리 입니다. 

 

 

Why AnyBody?

• 인체 모델의 동적 시뮬레이션에 대한 관심과 수요 증가
• 기존의 제품 중심적 개발 환경에서 인체모델과 제품을 통합한 인간공학적 제품 개발환경으로 변화
• 최소한의 인체 하중을 고려한 최적화된 제품 설계 필요
• 가상의 프로토타입과 시뮬레이션 기반 제품 설계로 시장 진입시간 단축과 연구비용 절감 
  
  • 예를 들면 아래와 같이 병원에서 사용하는 환자용 베드의 손잡이의 높이를 결정할 때, 정성적인 데이터(편안하다. 힘들다.) 가 아닌 근골격 인체모델을 이용한 동적 시뮬레이션을 통해 제품 설계에 필요한 정량적 데이터(관절력의 크기 변화확인, 근활성도 확인 등)를 얻어 파라미터를 결정할 수 있습니다. 
    

    

    

    
    
    
  • 또한 아래와 같은 스쿼트 운동기구를 개발하는 경우엔 무릎 위치의 회전 스프링의 스펙을 결정하고자 할 때 AnyBody 시뮬레이션을 통해 스프링의 강성 파라미터에 따라 인체 모델의 근활성도 및 관절력 등의 결과를 확인하여 스프링 스펙을 결정할 수 있다. 
    
    

    

근육을 고려한 관절력 계산

• 근육을 고려하지 않는 다른 소프트웨어에 비해 AnyBody는 근육을 고려합니다. 근육의 유무에 따라 Hip Joint의 반력이 상당히 차이가 나타남을 확인할 수 있습니다. 

 

Motion Capture 데이터의 활용 (C3D, BVH 파일)

• 처음 모델을 불러오면 모션 캡쳐 데이터의 Marker위치와 AnyBody 인체모델에 부착한 Marker 위치가 다르게 나타납니다.
• 이때  AnyBody는 Parameter Identification 인 최적화 과정을 통해 Segment(뼈)길이 Marker의 부착위치를 여러번 반복 해석을 하면서 모션 캡쳐 데이터의 Marker 위치와 일치시키는 과정을 수행합니다. 

최적화 전, 후 비교

 

지면 반발력 예측 (Ground Reaction Force)

• Forceplate가 없는 경우 지면 반발력(GRF)의 정확한 예측이 가능합니다. 

 

 

근육력 계산

• 2차원 평면상에서 팔에 부착된 하나의 근육에 발생하는 힘은 단순 모멘트 평형식에 의해 쉽게 계산이 됩니다. 하지만 3차원상에서 복잡한 근육으로 이루어진 실제 인체모델에서 근육의 힘을 계산하기는 매우 어렵습니다. 
• AnyBody는 Muscle Recruitment 라는 방법을 사용하여 근육의 힘을 계산합니다. 이때 목적함수는 근육에 필요한 힘을 최소화하는 것입니다. f는 근육이 내는 힘이고 N은 근육이 최대 힘입니다.  이 비율이 근육이 얼마나 일을 하는지는 나타냅니다. p 값은 근육이 얼마나 균형 잡힌 힘을 낼 것인지 조정합니다. p값이 클 수록 특정 근육에 힘이 집중되지 않도록 균형있게 힘을 배분합니다. 

 

 

AnyBody의 근육 모델

 

활용 사례

• 스포츠분야

 

 

 

 

• 외골격로봇분야