基于ADAMS的人体膝关节运动力学研究

基于ADAMS的人体膝关节运动力学研究
刘健;郑建荣;吴青
【摘要】Baaed on the research on human body structure which analyzes knee joint's kinematics and dynamics characteristics, the authors applies LifeMOD, a human biochemical mechanics software, to building up a human body model. A bushing constraint is applied creatively to knee joint. Dynamics simulation analysis is performed inside ADAMS to obtain the curves of the acting force and movement on human knee joint. Therefore the accuracy and practicability of the knee bushing model is verified, all of those efforts provide theoretical basis for researches on biped robots, artificial limbs and rehabilitation training robots.%在对人体结构进行研究的基础上,分析膝关节的运动学和动力学特性.应用人体生物力学软件LifeMOD创建人体模型,创新性地对膝关节施以轴套力约束,并在ADAMS中进行动力学仿真分析,得到人体膝关节的作用力和作用力矩曲线,验证膝关节轴套力模型的准确性和实用性,为双足步行机器人、人工假肢和康复训练机器人的研究提供理论基础.
【期刊名称】《计算机应用与软件》
【年(卷),期】2012(029)006
【总页数】3页(P202-204)
【关键词】LifeMOD;ADAMS;人体建模;膝关节动力学;仿真分析
【作者】刘健;郑建荣;吴青
【作者单位】华东理工大学机械与动力工程学院上海200237;华东理工大学机械
与动力工程学院上海200237;华东理工大学机械与动力工程学院上海200237【正文语种】中文
【中图分类】TP391.77
0 引言
随着机电一体化技术的飞速发展，双足步行机器人的研究逐渐成为该领域的研究热点，而对机器人步态的研究又是热点中的难点。

膝关节作为下肢运动的最主要关节之一，对机器人步态的研究具有至关重要的作用。

另外，膝关节又是人体最大、最重要的关节之一，它承担着人体的绝大部分重量，正是由于膝关节所处的特殊位置，它的受力及活动频率都很大，这就使得膝关节极易受到损伤。

因此，研究膝关节运动学和动力学的特点对生物力学和医学等领域也具有重要意义。

本文在分析人体结构的基础上，采用目前较为先进的生物力学软件LifeMOD建立人体的基本模型，其所建立的模型具有极高的真实度，能够最大程度地确保仿真模型的准确性。

然后应用运动学和动力学仿真分析软件ADAMS着重对人体的下肢
进行动力学仿真分析，获得了仿真分析数据。

1 膝关节结构分析
人体可以看作是一个复杂的机械系统，人体的骨骼就相当于机械系统中的杠杆，而把这些“杠杆”连接起来的就是我们通常所说的关节。

人体的骨骼是由206块大
小不等、形状各异的骨头所组成的，它们是人体的重要组成部分。

根据人体运动的基本形式，可以把人体简化为以下基本部分:即颅骨、椎骨、肩胛骨、肱骨、桡骨、尺骨、髋骨、股骨、腓骨、胫骨等［1］。

膝关节是由股骨下端、胫骨上端和膑骨等所组成的，它是连接人体大腿和小腿的滑车关节［2］。

膝关节被周围的肌肉和
韧带所包裹，它的内外侧韧带可以限制膝的内外翻转，前后交叉韧带又可以限制胫骨的前后移动，这些都增加了膝关节的稳定性。

膝关节的运动机制非常复杂，即使人体在正常的运动状态下，膝关节的运动也会同时伴随着转动和滑动，接触力和接触力矩都很大，这也是膝关节极易受到损伤的原因。

2 建立人体的虚拟样机模型
2.1 建模方法研究
总结建立人体模型的基本方法可以归纳为以下两种:一是利用ADAMS自有的建模
功能直接建立人体模型;二是使用专业的CAD软件，如ProE、Solidworks等建立人体模型。

利用ADAMS建立人体模型的优点就在于它可以直接对建立好的模型
施加约束，进行运动学和动力学仿真分析。

但是由于ADAMS软件的侧重点在于
对机械系统的运动学和动力学分析上，所以它所提供的建模功能就相对较弱，对于一般的简单机械系统是可以满足要求的，但是对于复杂的人体系统就显得捉襟见肘了。

使用专业的CAD建模软件可以满足人体模型的复杂度，但是在模型建立之后需要将模型导入到ADAMS中进行仿真，在导入过程中可能会丢失模型内部的许
多信息，这是所不期望的。

本文采用基于ADAMS的二次开发软件LifeMOD建立人体模型，它可以最大限度地满足人体模型的复杂度和真实度，并且建立的人体模型可以无损地导入到ADAMS中，保证了人体仿真模型的准确性。

建模及仿真流程如图1所示。

图1 建模及仿真流程图
2.2 创建人体模型
LifeMOD是美国LifeModeler公司开发的基于ADAMS的人体生物力学分析软件。

它首先在保持人体基本参数和运动特性不变的前提下，对人体模型进行了简化。

这样做的目的就在于既可以最大程度地使虚拟样机模型与人体相一致，又去掉了大部分对仿真结果影响不大的微小结构，从而能够明显地提高仿真效率。

同时，它所建
立的人体模型具有极高的真实度，模型中不仅包含了人体的骨骼模型，还定义了包括肌肉、肌腱等在内的软组织模型。

本文主要研究膝关节的运动学和动力学特性，即人体下肢的运动特性，因此在满足要求的前提下，出于简化仿真模型的考虑，将只建立人体的下肢模型。

根据文献［3］所做的关于中国人身高和体重参考值的调查，本文选取中国人身高和体重的参考值作为人体模型的基本参数，即身高为170厘米，体重为75千克。

据此，应用LifeMOD创建出人体模型如图2所示。

图2 LifeMOD中的人体下肢模型
由于LifeMOD是在ADAMS的基础上二次开发的人体生物力学软件，因此其所使用的文件类型与ADAMS是完全相同的，这样就可以将人体模型的全部信息准确
无误地导入到ADAMS中，进行人体模型的动力学分析。

3 膝关节的动力学仿真分析
将LifeMOD中创建的人体模型导入到ADAMS中，根据膝关节的运动特点，对膝关节施加约束，并进行动力学仿真分析。

3.1 建立膝关节的约束模型
在其他一些学者关于膝关节的动力学研究中，绝大多数对膝关节施加的是铰链接约束。

铰链接约束能够允许人体的大腿与小腿绕着膝关节发生旋转运动，但是它会严格限制膝关节在各个方向上的位移，这是与实际情况不相符合的。

在人体的运动过程中，膝关节同时伴随有转动和滑动过程，另外膝关节还允许有少量的内外旋转和内外侧翻运动，这些都是与铰链接约束相违背的。

因此，本文创新性地对膝关节施以轴套力约束连接。

轴套力约束的物理学模型如图3所示。

图3 轴套力约束的物理学模型
轴套力约束连接允许组成膝关节的两个构件间产生少量的位移，同时它也允许膝关节有少量的内外旋转和内外翻转运动，这些都是与膝关节的实际运动情况相符合的。

可以通过定义膝关节两构件间的相互作用力和力矩的6个分量(Fx，Fy，Fz，Tx，Ty，Tz)来定义轴套力的作用效果，轴套力的力学模型如图4所示。

图4 轴套力约束的力学模型
轴套力的计算公式如下:
式中:F，T分别表示力和力矩分别表示两构件间的相对位移、转角、速度、角速度;K，C分别表示刚性和阻尼系数;下标X，Y，Z分别表示X，Y，Z方向;下标x0，y0，z0分别表示X，Y，Z方向的初始值。

通过合理设置式中刚性系数和阻尼系数的数值就可以定义轴套力的作用效果，建立符合实际情况的轴套力约束模型。

力Fy作用于人体膝关节的轴线，产生拉伸作用，因此其系数K22、C22分别为拉伸刚性系数和阻尼系数。

Fx、Fz的系数K11、
C11和K33、C33为剪切刚性系数和阻尼系数，Ty的系数K55、C55为扭转刚性系数和阻尼系数，Tx、Tz的系数K44、C44和K66、C66分别为弯曲刚性系数和阻尼系数。

根据材料力学的相关知识，可以计算出膝关节的各项刚性系数和阻尼系数的数值。

在计算之前，需要确定膝关节的一些力学参数。

根据文献［4］所做的测定人体关节软骨弹性模量的实验，可得出膝关节的弹性模量为55MPa，设定膝关节的泊松比为0.2，并可据此计算出膝关节的剪切弹性模量为22.9MPa。

为了建立及计算
轴套力模型的方便，假设人体的大腿与小腿的质量是相等的，取为 5kg，可得出
人体腿部的截面积为111.1cm2，半径为5.95cm。

根据上述膝关节的力学参数就可以计算出轴套力模型中的刚性系数，阻尼系数取经验值为对应刚性系数的0.01倍，如表1所示。

表1 轴套力模型中的刚性系数和阻尼系数系数类型拉伸剪切扭转弯曲刚性系数1.357×106 2.824×105 1001.9 601.3阻尼系数1.357×104 2.824×103 10.019
6.013
3.2 膝关节的动力学仿真分析
在膝关节轴套力约束模型的所有参数都确定之后，就可以对膝关节模型进行动力学仿真了。

设定仿真时间为2.5秒，仿真步数为250步，输出膝关节的作用力矩曲线如图5、图6所示，作用力曲线如图7、图8所示。

图5 左膝关节所受力矩图
图6 右膝关节所受力矩图
图7 左膝关节所受作用力图
图8 右膝关节所受作用力图
在正常的步态运动时，膝关节所受的扭转力矩约为30Nm［5，6］，内外侧翻力矩为24Nm～45Nm［5，6］，内外旋扭力矩为8.2Nm～17Nm［5，7］，并且这些数据在人体进行上下楼梯或者跑步的过程中会有较大幅度的增加。

由仿真得出的左、右膝关节所受的力矩在仿真周期的大多数时间里都在100Nm以内，作用力一般都在5000N(7倍体重)以内，这些都是与实际情况相符合的。

4 结语
本文借助人体生物力学软件LifeMOD建立人体模型，运用运动学和动力学仿真分析软件ADAMS对膝关节模型进行了动力学仿真分析，得到了膝关节的作用力和力矩曲线，作用力一般在5000N(7倍体重)以内，作用力矩在100Nm以内，与膝关节的实际运动情况相符合，验证了膝关节轴套力约束模型的正确性和准确性，为双足步行机器人、人工假肢和康复训练机器人的研究提供了理论依据。

参考文献
［1］邹锦慧，刘树元.人体解剖学［M］.北京:科学出版社，2005.
［2］刘琦.膝关节病变的治疗与功能重建［J］.山东医药，2003，43 (3):53. ［3］王继先，李本孝，徐钧，等.中国人身高、体重参考值［J］.中华放射医学与
防护杂志，1993，13(1):3-7.
［4］赵淑芝，张延峰，李润，等.人体半月板和关节软骨弹性模量的实验［J］.吉林工业大学学报，1994，74(2):59-61.
［5］Li J，Wyss U P，Costigan P A，et al.An integrated procedure to assess knee-joint kinematics and kinetics during gait using an optoelectric system and standardized X-rays［J］.Biomed Eng，1993，15:392-400. ［6］Apkarian J，Naumann S，Cairns B.A three-dimensional kinematic and dynamic model of the lower limb［J］.J Biomech，1989，22:143-155. ［7］Morrison J B.The mechanics of the knee joint in relation to normal walking［J］.J Biomech，1970，3:51-61.。