人体动力学模型与仿真研究

基于ADAMS人体动力学下肢建模与仿真

前言

人体生物力学研究的是一个多学科交叉的新兴领域,它涉及到机器人机构学、运动学、动力学、人体解剖学、外科学(特别是骨科)、摄影测量学、测试技术以及计算机辅助设计等多方面的知识。研究人体动力学的建模和仿真，获取有关运动、力学数据，对指导机电产品设计、运动康复机械设计等具有重要意义。为了满足人们的需要和安全，在一些实验中必须模拟人体作为实验对象。为了保证人体的安全和新设备的研发，因此在人体运动仿真研究中需要将人体作为某种程度的抽象，这种抽象既要尽可能反映人体的真实情况，又要易于实现。人体模型是车辆设计、动力学分析和服务型机器人设计与仿真的基础，为设计用的人体模型属于人体几何学/运动学模型，它还为动力学分析与仿真提供了必要的几何特性；为分析与仿真用的人体模型属于多体系统动力学模型。人体动力学模型是多体系统动力学在生物力学方面的最新研究成果，已在国外车辆动力学分析与仿真领域获得工程应用。如果从建模的方式来看人体模型种类可以分为以下两种。从仿真角度建模—人体仿真模型（目前主要是指运用计算机仿真软件进行人体多体仿真建模）；从力学角度建模—动力学模型。

一、历史发展及现状

1.运动生物力学的国内外发展现状

有关生物体运动的力学问题很早就引起了人们的注意，早在15世纪末，意大利科学家Leonardo Da Vinci研究了人体的各种姿势和

运动，首先提出了“一切能够运动的生物体都遵循力学定律而运动”的重要观点。随着生命科学、力学和计算机技术的飞速发展，一门以研究人体力学行为特征为主的学科一运动生物力学诞生了。

运动生物力学作为一门学科，它的产生与发展，在我国还只有不到60年的历史。直到70年代后期，随着体育科学的全面进步和高科技的渗入，运动生物力学才真正活跃起来，并迅即发展成为体育科学体系中最体现现代高科技水平的学科之一。考察并分析运动生物力学的发展过程，在欣喜于运动生物力学已取得长足进步的同时, 我们还不得不承认，运动生物力学的理论基础是不完善的，在这方面的科学研究也几无进展。

人体运动分析是近年来计算机视觉领域中备受关注的前沿方向之一，是当代生物力学和计算机视觉相结合的一项重要技术，具有十分广阔和重要的应用领域，它在机器人学、仿生机械学、智能控制、人机交互、运动分析和虚拟现实等领域都有着广泛的应用。建模是研究人体运动的核心，目前的建模方法包括：有限元分析，多刚体动力学，肌肉一骨骼建模，振动力学，运动学建模以及实验等方法。

2.多体系统动力学研究的发展

多体系统动力学的核心问题是建模和求解问题，其系统研究开始于20世纪60年代。从60年代到80年代，侧重于多刚体系统的研究，主要是研究多刚体系统的自动建模和数值求解。

到了80年代中期，多刚体系统动力学的研究已取得一系列的成果，尤其是建模理论趋于成熟，但更稳定，更有效的数值求解仍然是

研究的热点。

80年代以后，多体系统动力学的研究更偏重于多柔体系统动力学，这个领域也正式被称为计算机多提系统动力学，并且至今仍然是力学研究中最有活力的分支之一，但已远远超过了一般力学的含义。

二、人体运动学的研究

运动学(kinesiology)是理论力学的一个分支学科,它是运用几何学的方法来研究物体的运动,主要研究质点和刚体的运动规律。运动学为动力学、机械原理(机械学)提供理论基础,也包含自然科学和工程技术等多个学科所必需的基本知识,包括物体的运动在空间和时间等方面的差异。

人体运动学是研究人体活动科学的领域。是通过位置、速度、加速度等物理量描述和研究人体和器械的位置随时间变化的规律或在运动过程中所经过的轨迹，而不考虑人体和器械运动状态改变的原因。在研究人体运动时，是以牛顿力学理论为基础的。在运动生物力学中，把人体简化为质点、质点系、刚体和多刚体系等力学模型，而使研究的问题大大简化。但是人体是生命体，因此在研究人体运动学时，还要尽可能地考虑人的生命特征，才能正确地研究人体的运动。

生物力学是研究生物体机械运动的规律，以及力与生物体的运动、生理、病理之间关系的学科为生物力学。研究运动中人体和器械运动力学规律的学科，为运动生物力学。

人体动力学是研究人体的运动与作用于人体的力之间关系的科学，是运动生物力学的分支，是体育科学、仿生机械学和动力学之间

的交叉学科。人体动力学以力学定律为基础，把人体当作力学对象，研究其受力情况。人体动力学的主要研究内容包括人体重力、支撑反作用力、摩擦力、流体阻力、人体内力等。人体运动中的力一般用各种测力仪器和肌电仪进行测定，并从功和能等角度进行分析研究。三、人体多刚体动力学模型

多体系统是指由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统。多体系统动力学的根本目的是应用计算机技术进行复杂机械系统的动力

学分析与仿真。它在经典力学上基础上产生的新学科的分支，在经典力学刚体系统动力学上的基础上，经历了多刚体系统动力学和计算多体系统动力学两个发展阶段，目前已趋于成熟。

生物力学方法是将人体看作有限刚体铰接组成的多刚体系统，可避免对人体系统内部运动的复杂模拟，是研究人体运动系统的常用方法之一。通常应用动力学普遍定理或多刚体系统动力学理论来建立运动学和动力学方程，并在各种约束条件下求解相关参数。但是刚体数目越多，自由度越多，方程越复杂，往要列出数十个甚至上百个方程。

人体存在两个主要的动力学特征：1.人体是能划分为有限个分体的质点系；2.人体的各相邻分体之间存在肌肉的作用力，此作用力对关节中心的力矩能改变此相邻两分体之间的运动状态。多刚体动力学方法就是基于人体的两个主要动力学特征，根据解剖学原理将人体分为若干个独立的刚体，每个刚体具有质量、质心和转动惯量等物理特性，相邻刚体之间通过铰(关节)连接在一起，在连接点处施加弹簧一阻尼器，以模拟软组织(肌肉、韧带等)的作用以及相邻刚体问相对运

动的某些限制。这样，人体就被简化成为具有有限个自由度的多刚体系统。人在运动时受到外力和内力的综合作用，如地面摩擦力，器械或地面支撑力等，人体各部分的重力，关节两端的肌肉力等，根据仿真的实际目的，一般只需考虑部分的作用力，多刚体动力学方法的关键是要计算一组约束力(或力矩)，使物体的运动符合所给定的约束。

目前，多刚体系统动力学的研究方法已经发展得非常成熟、系统，主要的建模方法有：牛顿一欧拉法，拉格朗日方程法，图论法，凯恩方法，变分方法，旋量方法等。其中，拉格朗日方程法是分析力学的一种方法，是关于约束力学系统的动力学方程。该方法主要有两种形式：一种是第一类拉格朗日方程，既适用于完整系统，又适用于非完整系统；另一种是只适用于完整系统的第二类拉格朗日方程。带乘子第一类拉格朗日方程法是上世纪八十年代以来多体动力学分析的

新方法，具有如下特点：

1.该方法的广义坐标不独立，动力学方程需要辅以约束方程才能得到封闭解；

2.动力学函数的计算方法规范统一，因此便于编制通用程序；

3.动力学方程提供了完整的动力学系统结构、惯性和受力三方面的信息；

4.动力学函数的求导计算繁琐，计算工作量大。

四、结束语

本文针对人体动力学的定义、建模方法和研究方法做了一些叙述，人体动力学研究对指导机电产品设计、运动康复器械设计等所建