基于二次规划的人体屈伸运动肌肉力预测研究

目的研究人体屈伸运动过程中的肌肉力。方法在"中国力学虚拟人"模型的基础上,确定屈伸运动中参与运动肌肉束的生理横截面积及附着点的起止位置,建立完整的人体胸腰部骨肌系统模型。利用NDI运动捕捉系统获取脊柱形状的变化,利用肌电测量系统采集运动中肌肉的肌电信号规律。采用二次规划方法对不同运动速度和不同负载下的肌肉力进行优化预测。结果通过二次规划法预测出的肌肉力与肌电信号具有较好的一致性。结论该方法可以有效地预测人体屈伸运动中的肌肉力,对深入了解肌肉的运动机理,预防和减少运动损伤发生具有重要意义。     

辅助仰卧位侧翻过程压疮易发部位的生物力学建模与实验研究

压疮是局部组织长期受压而致组织溃烂和坏死的一种病症。通过仰卧位侧翻缓解局部压力是长期卧床患者预防压疮病症发生的有效措施之一,所以研究辅助侧翻过程中压疮典型部位的生物力学意义重大。基于解剖学理论,利用CT图像数据建立躯干部压疮易发部位的骨骼与软组织有限元模型,研究不同侧翻角度下躯干部压疮易发部位的最大应力情况,并通过美国TEKSCAN公司的压力分布测试系统对10名志愿者进行人体仰卧位侧翻实验,验证仿真分析的正确性。结果表明,在侧翻过程中人体同一部位所受的压力是不同的,在90°位置出现了应力峰值的极值点,产生了应力集中现象;在角度阈值30°~45°范围内肩部和臀部各部位应力峰值比较均衡,均在0.035~0.070 MPa,表明在此阈值内人体与辅助面多部位接触,应力较为分散,两者之间存在一个使多个压疮易发部位受压最优的接触形式。研究展示了躯干部压疮易发部位在辅助仰卧位侧翻过程中的受压变化情况,相关结果有益于仰卧位侧翻辅助器械的设计与使用,并为临床护理提供参考。     

基于关节坐标系的肌肉骨骼间附着点坐标转换方法

目的运动状态下对人体骨肌系统进行运动学及动力学分析时,应避免对人体造成伤害。本研究通过尸体切片、CT或者MRI图像重建等方法构建静态骨肌模型,并将其应用于活体进行分析。方法采用尸体切片数据重建下肢的三维骨肌模型,并对此骨肌模型及活体下肢建立统一规则的关节坐标系,详细描述人体骨肌系统模型和活体上相关肌肉骨骼间附着点空间坐标值转换。结果对研究对象膝关节屈曲运动中股二头肌短头力臂及长度进行计算和分析。结论该方法对提高人体运动学和动力学仿真及肌肉力预测具有重要意义。     

人体坐立运动的膝关节动力学研究EI北大核心CSCD

坐立运动是人体最常见的运动行为之一,膝关节是人体坐立运动的主要承力关节,因此进行坐立运动过程的膝关节动力学研究具有重要意义。基于力矩平衡原理对坐立运动的膝关节动力学进行分析,结合光学动作捕捉和六维支撑力测试所得数据,计算求得膝关节力矩曲线。为了验证实验数据和动力学分析的准确性,建立人体模型,根据实验数据拟合角度和角速度多项式方程,进行坐立运动的膝关节动力学仿真。结果显示计算数据和仿真数据在范围和变化趋势方面一致。综合膝关节力矩变化规律,揭示了膝关节力矩与地面反作用力的关系。坐立运动中膝关节力矩和地面反作用力成正比关系,比值为5~6,且由坐到立过程中,加速度先增大后减小最后反向增加,力矩最大值发生在膝关节夹角约140°时,而由立到坐过程中,力矩在初始阶段最大。坐立运动的膝关节动力学研究结果有益于坐立康复辅具的优化设计及力反馈控制,并可为膝关节康复训练提供理论指导。     

中国力学虚拟人

“中国力学虚拟人”是国家自然科学基金重点项目。它是一个人体骨肌系统参数化几何模型,通过输入人体参数,可以转换为具体研究对象的骨肌系统模型;通过运动捕捉系统,可以将测量得到的人体运动转换为骨肌系统模型的运动;通过运动、动力学分析和肌肉力计算,可以得到一个行为过程中的关节力和肌肉力;它同时是人体全身骨肌系统的有限元模型,可以做全身骨骼或局部骨骼的有限元分析。该项目将开发一个大型软件,支撑上述计算工作。它将在医学、医疗器械设计、人机工程学、体育与艺术科学、人身事故分析等广泛领域获得应用。骨肌系统建模的基本参数取自中国可视化人的研究成果。     

基于肌电信号的膝关节跨越障碍角度预测方法

为解决人体跨越障碍物时膝关节角度输出的问题,针对性设计一种穿戴式信号获取实验台,对下肢运动姿态进行运动分析,将肌肉电信号及关节角度信号作为运动数据,对信号进行处理后利用BP神经网络预测跨越障碍时输出角度,提出一种利用BP神经网络算法,根据不同大腿抬起高度,分析膝关节运动主动肌与被动肌发力程度,预测输出人体跨越障碍时膝关节角度的方法,能够有效帮助假肢膝关节或康复机器人实现跨越障碍的复杂动作。     

穿戴式下肢外骨骼对人体步态特性的影响研究

本文拟探明穿戴式下肢外骨骼对人体下肢相应关节参数与肌肉运动学、动力学参数的影响变化,进而为优化其结构、提高其系统性能提供科学依据。本文通过采集受试者的行走数据,以人体下肢各关节在矢状面上的关节角度作为下肢外骨骼仿真分析的驱动数据,运用人体生物力学分析软件Anybody分别建立了人体模型(即未穿戴下肢外骨骼的人体模型)和人-机系统模型(即穿戴下肢外骨骼后的模型),并对比分析了两种情况下人体下肢运动时的运动学参数(关节力、关节力矩)及肌肉参数(肌肉力、肌肉激活程度、肌肉收缩速度、肌肉长度)的变化情况。实验结果表明,人体穿戴下肢外骨骼后行走的步态满足正常步态,但会出现个别肌肉力突增的现象;下肢主要肌肉的最大肌肉激活程度均未超过1,说明肌肉均未出现疲劳或损伤状况;股直肌的最大肌肉激活程度增加最多(0.456),半腱肌的最大肌肉激活程度增加最少(0.013),提示下肢外骨骼最容易引起股直肌疲劳或损伤。通过本文研究结果说明,为避免出现个别肌肉力突增导致人体下肢损伤,在设计下肢外骨骼时,要特别注意人体体段长与下肢外骨骼杆长的一致性和运动的平稳性。     

假肢步态实验平台设计

背景：目前对于假肢的评价还停留在主观感受,缺乏一套客观的评价系统,建立模拟人体运动的在线假肢参数检测系统对于假肢性能的评价、假肢研究设计具有重要意义。 目的：实现假肢的多种步态运动,并通过运动学、动力学数据的比对,评价其仿真程度。 方法：根据仿生学原理,将下肢假肢简化成四杆四轴的力学模型,利用采集得到的多种步态模式,驱动下肢假肢运动,并搭建动态力学测试平台,实时测量假肢运动的地面垂直反力和前后剪力。 结果与结论：假肢步态运动,髋膝关节的变化曲线与正常步态数据相一致,而其地面垂直反力与前后剪力也与正常人体相接近。提示假肢步态实验平台模拟了下肢假肢步态运动,并实时采集假肢运动的多项运动学、动力学参数,具备较高的仿真程度。     

人类体位的动力学特性的鉴别

一项关于人类体位的动力学特性的测量分析研究已在六名健康的试验对象身上进行了试验。我们采用一个力学试验台记录附着于腓肌上的振动器诱导产生的人体的晃动。我们用一种翻转摆作为人体的力学模型;由于复杂肌肉运动的结果,可以导致人体摆动和定位的状态反馈,我们设定体位的控制的动力学特性受作用于试验台底部的稳定的力的作     

自然步态摆动期动力学协调模式的研究

建立了包含肌肉一肌腱动力特性和神经兴奋一肌肉收缩动力学方程在内的人体下肢生物力学模型，并针对自然步态摆动期的运动过程，采用最优控制方法进行了计算分析。计算结果与实验测量结果在运动学、肌电信号和肌肉活性参数等方面均具有很好的一致性；同时利用模型分析了肌肉协调运动模式，结果表明在自然步态摆动期运动过程中，神经系统将肌肉结成不同的协同肌群，并按照特定的时序结构控制不同肌群实现步行运动的加速、制动和姿态控制。     

基于Fuzzy-CMAC的人体假肢系统智能控制方法研究

由于需要适应患者的参数个性化与步速变化,人体大腿假肢系统参数具有模型非线性与参数不确定性等复杂系统特性,因此需要寻求有效的智能控制方法。以一种自制的液压型智能大腿假肢结构为例,首先建立基于非线性阻尼控制参数与人体髋关节力矩的人机动力学模型,根据智能假腿的复杂系统特性设计一种PD-FCMAC逆动态复合控制模型,实现膝关节轨迹跟踪控制。以所建立的假腿实验样机动力学模型为对象,对PD-FCMAC方法进行实验仿真。实验结果表明,大腿假肢膝关节可以在约0.5 s时间内跟踪好目标曲线,具有良好的实时性与精度,且获得的膝关节阻力矩结果与膝关节角度曲线的循环交变规律一致。     

头部前屈运动过程中颈肌特性的研究

目的分析人体头部前屈运动过程中头颈部肌群活动特性,探索人体头颈部肌肉疲劳原因。方法基于AnyBody软件建立人体头颈部肌骨模型,以Vicon运动捕捉系统测量数据为输入,对头部前屈运动过程中的肌力进行仿真,并结合文献数据进行分析。结果颈后肌群在头部前屈运动中起主要作用。在头部前屈45%和75%行程位置肌力分配模式不同。肌力对前屈角位移的积分WM一定程度上反映了肌肉的疲劳特性,其中颈半棘肌和多裂肌在头部前屈运动过程中WM最大,容易出现疲劳。结论本文建立的头颈部肌骨模型可为分析人体运动状态下肌肉分析提供技术平台。     

下肢运动信息采集与运动仿真

目的 建立人体下肢3D模型与生物力学模型,进行运动学和动力学分析,搭建下肢控制平台为主动式下肢假肢和人体下肢助行器的控制研究提供理论依据。方法 利用VICON人体三维运动捕捉系统采集平地行走人体下肢髋、膝、踝运动信息。利用Solidworks建立人体下肢3D模型,进行下肢运动学分析。基于Matlab中Simulink的机械仿真模块（SimMechanics）建立人体下肢模型,进行动力学分析,产生运动信号。基于Quanser半实物仿真平台搭建控制模型,接收SimMechanics产生的运动控制信号,实现对双下肢运动平台的控制。结果 利用运动学分析得到各个关节的速度和加速度信号,利用动力学仿真得到各个关节的力矩信号,对建立的人体双下肢模型进行模拟仿真,通过仿真验证了模型的合理性,利用输出的信号对双下肢运动平台进行控制实现了平地行走功能。结论 建立的平台可以进行人体下肢运动学、动力学和控制方法的研究,为主动式假肢和人体下肢助行器的控制提供借鉴作用。     

基于视频图像边缘检测的人体下肢运动步态

背景：步态规律主要应用人体行走的运动学、动力学等参数进行描述。目前在运动医学、康复工程和仿生学等领域,步态分析可为确定疾病诊断、康复和治疗方案提供重要依据。 目的：应用基于人体运动图像的测量装置系统,采集人体在跑步机上行走的下肢运动步态视频,分析人体步态运动规律。 方法：采用基于双摄影机的人体运动图像捕捉系统,在人体的左右髋关节、膝关节、踝关节及脚板设置标识点,对人体在跑步机上行走的下肢运动步态视频进行采集。应用图像边缘检测的原理,对测量数据进行了图像处理和分析,得到人体正常步速行走时,左右大腿与竖直方向夹角、小腿与竖直方向夹角、脚板与竖直方向夹角及膝关节、踝关节标识点的关节角度变化规律。 结果与结论：基于视频图像边缘检测人体下肢的运动步态,成本相对低廉,数据误差较小,精度与进口设备较接近。应用该测量结果初步构建了人体步态行走数据库,为建立步态评定标准、异常步态判别以及进一步的康复治疗提供了依据。     

三维摄像测量系统测量人体上肢运动的算法研究

应用三维摄像测量系统分析人体上肢运动时,由于实验噪声的影响,按一般旋转矩阵计算方法得到的数据会产生较大的误差.根据旋转矩阵的单位四元数表示形式,提出了一种旋转矩阵的正交分解算法,提高了计算的准确性和稳定性,并在刚体运动和人体上肢关节运动测量实验中得到了验证.     

基于AnyBody脑卒中患者手部抓握训练的肌肉力学特性分析

目的建立手部抓握的骨骼肌生物力学模型并进行逆向动力学仿真,得到不同受力时手部抓握过程各参与肌肉的最大肌肉力。方法选择1名志愿者对其手部进行CT扫描,将得到的手部CT数据导入Mimics软件进行三维重建,获得各节骨模型,通过Geomagic Studio重新调整模型坐标后导入AnyBody软件,建立手部骨骼运动学模型。添加参与各手指屈曲的相关肌肉,建立手部骨骼肌模型。使用该模型进行手部抓握的逆向动力学仿真。结果分别在各远节指骨上施加5～30 N不同外力后,得到各肌肉在整个运动过程中的最大肌肉力。随着力的增加,各肌肉最大肌肉力也呈线性趋势增大,如拇长屈肌的最大肌肉力从18.49 N增加到110.93 N;且在外力5 N时,手指抓握过程中拇短屈肌、拇长屈肌、拇收肌、小指短屈肌的最大肌肉力分别为7.70、18.49、9.49、8.39 N,指浅屈肌、指深屈肌在各手指运动过程的肌肉力远大于其他肌肉,对手部抓握起主要作用。结论参与手部抓握各肌肉在不同阻力时的最大肌肉力,以及主要肌肉的肌肉力与关节角度的关系,可为评价脑卒中患者手部康复效果提供指导及参考,也可为康复设备制造提供一定的理论依据。     

下肢外骨骼人机耦合交互力特性分析

目的 提出一种基于虚拟肌肉的人机耦合动力学建模方法,对穿戴外骨骼步行过程的人机交互力及穿戴者 肌骨系统的肌肉激活情况等特征进行量化分析。 方法 首先在穿戴外骨骼的步态实验中,利用人体动作捕捉系统 和自行开发的力学监测装置,同步获取穿戴者步行动力学、肌电信号、外骨骼驱动状态及局部的法向人机交互力信 息;然后,在肌骨系统建模环境中建立人机耦合模型,并以步态实验数据和外骨骼关节扭矩作为耦合模型的驱动信 息,进行逆动力学计算;最后,对模型的仿真数据与实验测试结果进行对比,量化评估下肢外骨骼人机耦合模型的 有效性。 结果 耦合模型逆动力学计算的法向交互力以及下肢肌肉激活情况与步态实验测量结果相比,在响应曲 线趋势上均具有良好一致性,其中交互力结果具有高程度的相关性（ ｒ ＝ ０。９３１,Ｐ＜０.０１）,均方根误差较小,下肢肌 肉激活程度峰值误差均小于 ５％ 。 结论 本文提出的人机耦合模型可有效计算人与外骨骼交互力。 该耦合模型的 建立为以后外骨骼结构优化与控制算法的验证与迭代,以及外骨骼助行助力功效的性能评估提供理论依据。     

颈椎牵引过程中颈部肌电信号变化规律与力学特点

目的观察颈椎牵引在不同加载质量和牵引角度时颈部肌肉表面肌电(electromyography,EMG)信号的变化特点,并与Any Body软件颈椎建模仿真所得的相关肌肉力活性变化特点进行对比,验证仿真结果的合理性。方法选取10例青年志愿者,行仰卧位颈椎牵引,JE-TB0810表面肌电仪测试颈部双侧胸锁乳突肌、斜方肌上部EMG信号,利用平均肌电值(average EMG,AEMG)和平均功率频率(mean power frequency,MPF)分析颈部EMG信号的变化规律。结果斜方肌上部和胸锁乳突肌AEMG均随着加载质量和牵引角度的增大而增大,差异均具有统计学意义(P0.05),斜方肌上部AEMG较胸锁乳突肌高,差异有统计学意义(P0.05);2对肌肉在不同牵引角度和加载质量下MPF比较,差异无统计学意义(P0.05);实验结果与颈椎牵引建模仿真所得斜方肌上部和胸锁乳突肌肌肉力活性特点相符。结论仿真结果具有一定的合理性,临床上可根据颈部肌肉的兴奋程度和疲劳时间合理施加牵引重量,既达到治疗效果,也提高患者的舒适性,为颈椎牵引设备的进一步研制和改进提供重要参考。     

人服系统上肢交互生物力学仿真模型

目的通过建立人-舱外服上肢交互生物力学仿真模型计算穿着舱外服后航天员上肢关节力矩和肌肉力,满足出舱活动风险评估的需求。方法分别建立舱外服手臂的刚体运动学模型和关节阻尼力矩迟滞模型以描述舱外服关节的运动和力学特性。通过对舱外航天服肘部和人体肘部位置进行约束实现人体和舱外服手臂之间的运动学耦合,利用虚拟反作用力元实现两者之间的动力学耦合,在反向运动生物力学架构下建立一体化仿真模型。利用该模型对宇航员穿着加压、未加压舱外服和不穿着舱外服3种工况下肘弯曲/伸展进行仿真案例分析。结果3种工况下肱二头肌的预测肌肉激活和积分肌电的相关性分别为0.86、0.71、0.65,肱三头肌对应的相关性分别为0.75、0.61、0.60,采用预测肌肉激活和积分肌电的一致性定性验证了模型的正确性,利用舱外服肘关节阻尼力矩与人体肘关节肌肉承受力矩之间的一致性验证了模型的合理性。结论该人服系统上肢交互生物力学仿真模型能有效计算航天员穿着舱外服后的上肢关节力矩和肌肉力,且仿真结果和实验表明,加压后舱外服关节阻尼力矩造成较大的人体关节力矩和肌肉负荷,为航天员出舱活动中的体力负荷和骨肌风险评估提供方法学支撑。     

人服系统上肢交互生物力学仿真模型

目的 通过建立人-舱外服上肢交互生物力学仿真模型计算穿着舱外服后航天员上肢关节力矩和肌肉力,满足出舱活动风险评估的需求。方法 分别建立舱外服手臂的刚体运动学模型和关节阻尼力矩迟滞模型以描述舱外服关节的运动和力学特性。通过对舱外航天服肘部和人体肘部位置进行约束实现人体和舱外服手臂之间的运动学耦合,利用虚拟反作用力元实现两者之间的动力学耦合,在反向运动生物力学架构下建立一体化仿真模型。利用该模型对宇航员穿着加压、未加压舱外服和不穿着舱外服3种工况下肘弯曲/伸展进行仿真案例分析。结果 3种工况下肱二头肌的预测肌肉激活和积分肌电的相关性分别为0.86、0.71、0.65,肱三头肌对应的相关性分别为0.75、0.61、0.60,采用预测肌肉激活和积分肌电的一致性定性验证了模型的正确性,利用舱外服肘关节阻尼力矩与人体肘关节肌肉承受力矩之间的一致性验证了模型的合理性。结论 该人服系统上肢交互生物力学仿真模型能有效计算航天员穿着舱外服后的上肢关节力矩和肌肉力,且仿真结果和实验表明,加压后舱外服关节阻尼力矩造成较大的人体关节力矩和肌肉负荷,为航天员出舱活动中的体力负荷和骨肌风险评估提供方法学支撑。