冲击载荷作用下运动员下肢动态响应的逆向动力学仿真

目的分析冲击载荷作用下羽毛球运动员下肢关节肌肉的动态响应变化。方法基于Any Body Modeling System软件建立人体肌骨模型,采用实测表面肌电信号进行验证,以运动捕捉系统和测力台测量数据进行模型驱动,对羽毛球右前场蹬跨步上网过程中下肢肌肉肌力、关节力和关节力矩进行逆向动力学仿真与分析。结果所建人体下肢肌骨模型经肌电信号验证有效。羽毛球蹬跨步上网过程中,髋、踝关节Z方向内力峰值显著高于X和Y方向内力峰值,而膝关节X方向内力峰值显著高于Y和Z方向内力峰值;缓冲期,髋关节X、Y、Z方向依次表现为内收力矩、伸髋力矩和内旋力矩,膝关节X、Y、Z方向依次表现为外展力矩、屈膝力矩、外旋力矩,踝关节X、Y方向依次表现为内翻力矩、跖屈力矩,且髋、膝、踝关节X方向力矩峰值显著高于Y和Z方向;股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌、腓肠肌内侧在对抗地面冲击载荷时的肌力发挥较大,股直肌、半膜肌、比目鱼肌发挥的作用相对较小。结论建立的下肢肌骨模型可为冲击载荷作用下运动员下肢生物力学特性分析提供技术平台。为避免运动损伤,类似羽毛球前场蹬跨步上网冲击动作中尤其要重视触地瞬间地面反作用力载荷对髋、膝、踝关节前后及内外侧方向生物力学性质的影响,同时在对羽毛球运动员进行专项训练时切勿忽视对股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌的专项力量发展。     

偏瘫患者步态特征的动力学仿真分析

目的研究偏瘫步态特征与下肢异常肌力之间的内在关系,阐明导致偏瘫步态的肌力原因并为临床治疗提供建议。方法以偏瘫步态和正常步态为研究对象进行建模仿真,通过正常步态下仿真模型与实测数据对比验证模型有效性,对两种模型的运动学数据、地面反作用力(ground reaction force,GRF)及肌力等特征曲线进行差异分析。结果 LifeMOD仿真结果与测力台实测GRF曲线复相关系数为0.922,动力学模型合理有效。偏瘫步态患者初始着地期胫前肌肌力小导致踝关节背屈不足,摆动前期腓肠肌肌力小,起不到蹬离推动作用。结论胫前肌、腓肠肌软弱无力是偏瘫患者出现足下垂等偏瘫步态特征的主要原因,LifeMOD建模仿真可协助诊断偏瘫患者的异常肌力。     

人体下肢三摆多自由度模型

目的 多数人体下肢运动方程在处理简单问题时存在过于复杂的问题.方法 本文基于多刚体系统原理,将人体下肢系统简化为三摆多自由度模型,利用拉格朗日函数和哈密顿定理推导出人体下肢系统的动力学方程.结果 以人体测量学数据为依据进行模拟计算,将模拟计算得到的人体下肢各部分的运动参数与通过实测得到的人体下肢数据进行比较后发现,二者在绝大多数指标上较为相似.结论 说明推导出的方程具有一定的准确性,可以对人体下肢系统的运动特性进行简单的趋势分析和低精度计算.     

全膝关节置换个体化患者右转步态的骨肌多体动力学仿真

目的构建个体化患者全膝关节置换(total knee replacement,TKR)的骨肌多体力学模型,模拟患者下肢右转步态时体内膝关节的生物力学行为。方法以1位具体患者的相关数据为材料,基于骨肌动力学仿真软件Any Body及其依赖于力的运动学建模方法,建立与患者相对应的TKR下肢骨肌多体动力学模型,并对患者的右转步态进行模拟。通过逆动力学分析右转步态,同时预测患者膝关节接触力、关节运动、肌肉活性和韧带力。结果模型预测的胫骨-股骨关节内、外侧接触力的均值均方根误差分别为285、164 N,相关系数分别为0.95和0.61,预测的髌骨接触力均值最大值为250 N。模型预测的接触力和肌肉活性与患者实验测量结果基本一致。此外,模型预测的胫骨-股骨的伸展弯曲、内外旋和内外翻运动的均值分布范围分别为3°~47°、-3.4°~1.5°、0.2°~-1.5°,胫骨-股骨的前后、上下和内外侧平移的运动范围分别为2.6~9.0 mm、1.6~3.2 mm、4.2~5.2 mm。模型还预测了内、外侧旁系韧带力和后交叉韧带力,其最大值分别为190、108、108 N。结论所开发的模型能够预测人工膝关节体内生物力学行为,为后续研究膝关节假体临床失效问题提供强有力的计算平台。     

面向逆向动力学仿真驱动和验证的半蹲式跳伞着陆实验研究

目的半蹲式跳伞着陆模拟实验的设计和相关数据测量,为逆向动力学软件AnyBodyModelingSystem模型的建立、驱动和验证提供数据。方法根据逆向动力学分析数据驱动和验证的需要,受试者从0.32m高的平台跳落,模拟半蹲式跳伞着陆。对受试者下肢关节运动学参数、地面反力以及下肢4块主要肌肉的肌电图进行测量。结果受试者在与地面接触前后1s内,髋、膝、踝关节角度随时间的变化、右脚地面反力以及压力中心轨迹用来驱动模型;肌电活动性测量数据用来验证模型。结论实验设计可以满足肌骨模型分析的要求,并可用于对半蹲式跳伞着陆的进一步研究。     

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。     

下肢外骨骼康复机器人关节运动轨迹分析与步态测试研究

本研究针对一款下肢外骨骼康复机器人(lower limb exoskeleton rehabilitation robot,LLERR)进行了关节运动轨迹分析与步态测试研究.分别通过D-H法和拉格朗日法对外骨骼机器人单侧下肢进行运动学和动力学建模分析,得出各运动关节间运动学与动力学关系.通过虚拟样机仿真验证提出的外骨骼...     

基于不同刚体模型对老年女性步态的仿真研究

目的比较不同的多刚体模型在模拟老年女性步行过程中的仿真精度,并在最优模型的基础上探索行走速度对膝关节负荷的影响。方法在人体运动仿真软件ADAMS/Life MOD中分别建立19个环节(M1)、16个环节(M2)和12个环节(M3)的个性化人体模型和地面,并依次进行步态的仿真研究。结果综合比较3种模型仿真得到的垂直地面反作用力、步行时间和下肢关节角度,M2模型最适用于重现步态的实际情况。当老年女性加快步行速度时,垂直地面反作用力峰值、膝关节力矩和功率峰值都得到明显提高。结论建议老年女性多加强股四头肌的力量锻炼,以改善其步行行为。同时,研究结果在临床上也可为膝骨关节炎患者的康复治疗提供参考依据。     

足踝步态模拟机动力学特性仿真及实验验证

目的 研究足踝步态模拟机动力学特性,仿真着地相中的足底垂直、前后、水平3个足底反力,并在实验台中验证。方法 运用设计的5自由度步态模拟机,建立Adams虚拟样机和足踝模型（包含足部主要韧带和跖腱膜、足底软组织及跟腱力）,对其进行动力学仿真,并把仿真中的控制规律运用到实验台验证;将仿真和实验中测力板测得的足底反力与仿真和真实数据比较。结果 着地相进程中3个方向的足底反力与实际步态中吻合度较高,足部的韧带和跖腱膜、跟腱和软组织等对正确的步态有重要的影响,步态实验台能够很好重复仿真特性。结论 模拟机具备仿真人体步态着地相的能力,为活体无法进行测量的实验提供临床研究平台。     

基于人体动力学模型的下肢康复机器人控制方法

为解决目前针对骨科术后患者的下肢康复机器人种类少且交互性弱等问题,该文设计了一种基于人体动力学建模和拉压力传感器实现人机交互的新型坐卧式下肢康复机器人。该系统通过实时监测人机交互力,调整髋关节、膝关节、踝 关节训练角度,验证建立的数学模型,对比实际采集的关节角度,得出数学模型在 Matlab 拟合和 Adams 仿真中力矩变化趋势相同,且最大均方差不超过 0.81N/m,实验对比完全被动和智能被动状态的关节角度有明显调整,证明该系统提升了患者的主动参与性。     

虚拟现实验证仿真多路况下人体下肢行走状态

背景：在智能下肢假肢控制器的研究过程中,无论采用肌电信号还是运动与动力学信息相结合等方式识别路况,其结果都通常抽象难懂。 目的：从直观运动学分析的角度说明不同路况之间的异同,并利用虚拟现实技术对多种路况场景进行建模和仿真以使识别结果形象化、直观化。 方法：用Simulink下的机械建模模块Simmechanics搭建人体下肢模型框图并进行输出运动学分析,比较各种路况下运动学信息的异同,结合虚拟现实工具箱建立多路况场景,用运动学信息驱动虚拟模型运动,完成不同路况的验证仿真。 结果与结论：直观利用运动学信息区分多种路况有一定的局限性,需结合其他手段或信号;虚拟现实工具箱能很好地再现数据所对应的运动场景。仿真结果表明,虚拟现实建模方法能够真实形象再现人体下肢在平地、斜坡以及楼梯的行走状况,使数据所反映的运动状态不再单调抽象,使识别结果形象化,可作为验证路况识别结果的手段,为智能假肢模式识别工作提供了一个良好的验证显示平台。     

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AnyBody骨骼肌肉多体动力学分析的有限元仿真

目的研究AnyBody骨骼肌肉多体动力学仿真技术的建模和有限元建模相结合的方法,进行临床骨外科生物力学分析。方法根据志愿者身高、体质量及CT数据,利用AnyBody软件建立志愿者个性化上肢的骨骼肌肉运动力学模型,模拟正常人肘关节屈曲运动,导出肱骨在屈曲运动过程中所受肌肉力、关节力、力矩及约束条件,作为有限元分析的边界条件。根据CT数据在MIMICS软件中进行三维重建,在Geomagic Studio软件中完成肱骨曲面化和位置坐标匹配,并在HyperMesh软件中进行网格划分和材料赋值。把三维重建的肱骨有限元模型导入ABAQUS软件中,施加AnyBody软件导出的边界条件数据并执行应力计算分析。结果在ABAUQUS软件中计算得到肘关节屈曲运动过程中肱骨的应力、位移结果,肘关节屈曲运动约90°时肱骨受到的应力和位移最大,分别为0.76 MPa、20μm。结论实现了肘关节屈曲运动过程中肱骨应力、位移的一个连续动态的分析,更符合人体生理解剖要求,为研究临床骨外科问题提供一个高效的分析平台及新的方法。     

平地行走人体的三维动力学模型及其关节力学研究

本文借助测力板测得足对地面的合力作用位置，以及足的外形曲线，提出了足对地面姿态位置的积分方程，利用关节角度传感器，结合多刚体力学原理，建立了行走人体的三维运动学、动力学方程，它不仅具备了目前先进的红外摄像步态分析系统的功能，而且整套系统价格便宜，为在简易测试设备上进行步态分析开辟了新途径     

康复移位装置多体动力学建模和力学响应研究

为解决目前国内外对移位机结构设计、力学特性研究不足的问题,利用多体传递矩阵法建立液压驱动移位机模型。模型中采用弹簧阻尼对液压缸进行等效,把支撑臂和摆臂当作Euler-Bernoulli柔性梁处理。利用90和120 kg的质量进行不同人员乘坐模拟。计算结果表明:油缸部位最大受力达到1 200和1 400 N,满足部件的安全使用标准;以上两种质量人员移位机模型的末端振动位移最大达到45和50 mm,符合设备的抗变形能力。通过对移位机样机上的60名样本人员试验乘坐,显示设计的产品符合乘坐需求和产品设计目的。多体传递矩阵法可为肢体康复移位机产品设计提供有效的参数化建模和计算条件,能满足不同人员、不同型号产品的设计需求,得出运动过程中不同工况的动力学响应,所得结果为移位机及临床医疗设备的智能控制和患者乘坐的安全性、舒适性提供帮助。     

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。     

基于AnyBody 的汽车驾驶中人体腿部逆向动力学仿真

为了更好地了解汽车驾驶时人体腿部肌骨的受力状况,建立了腿部肌骨模型并进行了生物力学分析。结合人机工程学相关知识和驾驶室内人体腿部的空间几何关系,利用AnyBody Modeling System软件建立了人体腿部的肌骨模型,对正常行驶过程中踩踏油门踏板的实例进行了腿部逆向动力学仿真,并分析了腿部肌肉活动状态以及关节节点力。仿真结果表明,负载较大的股外侧肌、股内侧肌、股中间肌以及股直肌的激活度均在20%以内,趾骨节点处负载最大为346.43 N,为确定合理的踏板操纵力提供了依据。     

人体下肢生物力学仿真和实验的研究现状与发展趋势

人体的站立、行走及弹跳等机能主要依靠下肢肌肉骨骼系统来维持,下肢肌肉骨骼系统出现病变或发生损伤会影响人体的协调功能,进而影响人体的稳定性和安全性.下肢骨骼系统中关节易受到冲击造成骨折、炎症和老化,导致功能衰退,整体运动能力下降.本综述以人体下肢为研究对象,总结并重点阐述下肢关节的生物力学仿真和实验研究进展,对其发展趋势...     

人体足地接触模型的步速适用性

目的构建骨肌多体动力学足地接触模型,研究其适用速度范围。方法采集5名测试者的步态运动数据,以骨肌多体动力学仿真软件Any Body全身模型为基础,建立足地接触模型,分析慢走、正常行走、快走和慢跑不同步态速度下的地面反作用力(ground reaction force,GRF)和地面反作用力矩(ground reaction moment,GRM),并与测力板实验测量值进行对比,分析模型预测精度,获得足地接触模型的适用范围。结果在慢走、正常走和快走(步速0. 69~1. 68 m/s)时,足地接触模型预测能力较高,GRF预测值与实验值相关性大于0. 875,GRM预测值与实验值相关性大于0. 9。结论所开发的足地接触模型同时计算GRF和GRM,可以消除步态分析中对测力板的依赖,能够应用于老年人及病理性步态等低速步态的运动学分析。     

垂直振动和摇摆振动在人体下肢传递的研究

目的 研究在膝关节锁定、膝关节固定角度以及膝关节自然状态的站立条件下相同振动频率不同形式的振动在人体下肢内的传递情况.方法 以摇摆振动和垂直振动作为激励施加与受试者足底,进行三种站立条件下人体跟骨、外踝、胫骨外髁以及股骨外侧髁等处的振动测试,并运用转子动力学全相位能量补偿法进行人体下肢的振动传递分析,得到了摇摆振动和垂直振动过程中,三种不同的站立条件下人体跟骨、外踝、胫骨外髁以及股骨外侧髁等处的振动传递及振动加速度的分布.结果 在相同频率条件下,与摇摆振动激励方式相比,垂直振动激励下人体下肢标记点加速度明显减小,振动传递比较大;对同一个受试者垂,直振动在人体下肢的传递要比摇摆振动的传递稳定.此结果对于深入了解全身振动对人体骨骼及肌肉的锻炼及骨科疾病的防护有一定的借鉴作用.