Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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Muskelmodellierung eines Arms inklusive Schulter und Hand in DYMARA.
© iStockphoto / Fraunhofer ITWM
Muskelmodellierung eines Arms inklusive Schulter und Hand in DYMARA.

Verbesserte Muskelmodellierung

Um Arbeitsprozesse systematisch zu analysieren und z.B. hinsichtlich der körperlichen Belastung optimieren, benötigen wir realitätsnahe Menschmodelle. Ein Schwerpunkt von DYMARA ist die optimale Steuerung des gesamten Menschmodells (oder eines Teilmodells davon, z.B. eines Arms inklusive Schulter und Hand).

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Digitales Menschmodell als dynamisches Manikin

BMBF-Projekt DYMARA: Dynamisches Manikin Modellierung Skelettmuskulatur

Im Verbundprojekt DYMARA entwickeln wir ein innovatives digitales Menschmodell (Manikin) mit detaillierter Modellierung der Skelettmuskulatur und schnellen numerischen Algorithmen.

Mit diesem Manikin soll es möglich werden, den Menschen simulationsgestützt auf optimale Weise in sein Arbeitsumfeld zu integrieren und Ermüdungen, Erkrankungen sowie Unfälle am Arbeitsplatz zu vermeiden. Neben diesen ergonomischen Gesichtspunkten wird das Menschmodell dann auch zur Therapieplanung im muskulären Bereich und zur Gestaltung von Prothesen und Orthesen eingesetzt.

Um die Dynamik des muskuloskeletalen Systems hinreichend genau zu erfassen, verfolgen wir einen Modellierungsansatz, der auf der Methode der mechanischen Mehrkörpersysteme (MKS) basiert. Solche Modelle sind durch die Robotik inspiriert und sind bereits heute in vielen biomechanischen Anwendungsfeldern im Einsatz. Die Modellierung der Muskulatur stellt jedoch nach wie vor eine große Herausforderung dar, insbesondere die Rechenzeit und die Berücksichtigung der anatomischen und physiologischen Gegebenheiten stellt vor Herausforderungen.

Unser Schwerpunkt und Aufgabenbereich im Projekt

Hier setzen wir mit unserem Projekt an: Ein neu zu entwickelndes eindimensionales Kontinuumsmodell, das einzelne Muskelfaserbündel realitätsnah beschreibt, soll die bisher üblichen diskreten Kraftelemente im MKS-Modell ersetzen. Wir kombinieren es mit schnellen, problemangepassten numerischen Algorithmen zur Berechnung von Bewegungssequenzen und zur Steuerung des Manikins.

Unser thematischer Schwerpunkt in DYMARA ist die optimale Steuerung des gesamten Menschmodells (bzw. eines Teilmodells davon, z.B. eines Arms inklusive Schulter und Hand). Dabei beziehen wir besonders die verbesserte Muskelmodellierung ein. Für spezifische Aufgabenszenarien generienen wir so optimale Lösungen (und damit Bewegungsabläufe). Ein weiterer wichtiger Aspekt dieses Projekts ist es, optimale Handlungsstrategien zu berechnen. Hierzu sind spezielle Modelle nötig, die dann, gekoppelt mit dem Gesamtmenschmodell, optimal gesteuert werden.

Im Teilprojekt sind wir daher verantwortlich für:

  • die effiziente numerische Optimalsteuerung mit klassischen Eingangsgrößen (Gelenkmomente)
  • die Entwicklung von dynamischen Handlungsmodellen mit Ansätzen aus dem Bereich des Maschinellen Lernens (Nichtlineare (GreyBox-)Modellansätze: Neuronale Netze, Gauß‘sche Prozesse, lokale Modelle, Methodische Studien, Modellauswahl)

Projektpartner in Wirtschaft und Forschung

In DYMARA kooperieren die Arbeitsgruppen von

mit den Praxispartnern

 

Projektdauer:

Dezember 2016 bis Dezember 2019

Das Verbundprojekt ist dem BMBF-Förderschwerpunkt Mathematik für Innovationen in Industrie und Dienstleistungen zugeordnet.