人体上肢生物力学建模和典型运动的生物力学研究
人体上肢肌骨系统生物力学分析及鼠标操作时腕部接触压力研究
人体上肢肌骨系统生物力学分析及鼠标操作时腕部接触压力研究随着我国经济和社会不断发展的需要,社会劳动分工越来越细,而劳动方式单一化、不断重复的劳动工作,导致人体肌肉骨骼不适(MSDs)、损伤(MSI)的发生率相应增加。
轻度不适,可以休假调整,而重度不适,则可能需要手术干预,更甚者则可能影响运动功能,甚至致残。
大量伏案工作的办公室人员以及办公自动化的计算机操作人员成为了肌骨不适及肌骨系统各种损伤的高发群体。
不但给患者个人造成了身心痛苦,也给家庭和社会带来了沉重的经济负担。
到目前为止,通过运动方式来进行诊断和治疗MSDs、损伤以及进行运动康复训练,还缺少基于生物力学原理的、科学的、准确的诊断、治疗和康复评估方法。
另外,随着计算机在各行各业的快速普及和应用,鼠标作为实现人与计算机交互的重要输入装置,得到了日益广泛的应用。
但是,不断、重复性的鼠标操作会导致一些上肢MSDs,常见的例子是腕管综合症(CTS),也称为“鼠标手”。
当前,我国MSDs的流行情况形势非常严峻,但因缺乏十分有说服力的病因学证据,以及基于生物力学因素的评估方法和依据,较难采取有效的预防和控制措施,使MSDs的发病率得到有效的降低,同时也可以减少政府、企业和患者个人以及家庭的经济负担。
考虑到腕部及上肢相关MSDs、肌骨损伤的严重性和生物力学研究的重要性,本文从生物力学角度出发,基于生物力学的原理和方法,对上肢肌骨系统进行生物力学分析,并对鼠标操作时腕部接触压力进行了实验测量和有限元模拟对比研究。
具体的研究内容包括:(1)通过人体运动捕捉的实验测量,对人体上肢的常见运动,以及鼠标操作时手指击键等的运动数据进行了采集、处理和分析。
通过处理和分析,得到了上肢运动时各关节的角度变化曲线,可以作为逆向动力学分析和有限元分析的基础数据。
通过采用逆向动力学的方法,对屈肘关节和前臂旋前-后等运动进行了分析和计算,得到了运动过程中的肘关节力矩、关节反力、肘关节周围各主要肌肉力以及上肢肌肉的活性等,分析表明上肢水平比上肢竖直状态有更高的关节力矩、关节反力、肌肉力和肌肉活性。
基于运动生物力学的人体运动建模方法
基于运动生物力学的人体运动建模方法祝杨【摘要】针对当前关键帧运动数据捕获方法进行人体运动建模准确度低的问题,提出基于运动生物力学的人体运动建模方法.首先进行人体运动的生物力学数据分析和插值重建;然后构建运动状态方程进行人体运动建模关键数据的捕获和特征分析;最后进行仿真实验,结果表明,该方法提高了人体运动分析的准确率,对运动步行、跳跃、侧手翻等人体运动的重构能力好,结果具有一定的合理性.%Since the current key frame motion data acquisition method has low accuracy for human body motion modeling, a human body motion modeling method based on sports biomechanics is proposed. The biomechanical data analysis and interpola-tion reconstruction of the human body motion were carried out. And then the motion state equation was constructed to perform the capture and feature analysis of the key data of the human body modeling. The modeling method was conducted with simula-tion experiment. The results show that the modeling method has improved the accuracy of the human motion analysis,good re-construction ability for human body motion such as walking,jumping and cartwheel,and the result has a certain rationality.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2017(040)005【总页数】4页(P54-57)【关键词】运动生物力学;人体运动;插值重建;建模方法【作者】祝杨【作者单位】武昌首义学院体育部,湖北武汉 430000【正文语种】中文【中图分类】TN98-34;TP391人体运动是一个复杂的生物力学系统，对人体运动的建模分析将在指导体育运动训练、计算机游戏开发、虚拟现实仿真、影视特效表演等方面都具有重要的应用价值。
运动生物力学的研究与应用
运动生物力学的研究与应用运动是人类生活中不可或缺的一部分，而运动生物力学则是研究人体运动及其机理的学科。
运动生物力学主要包括人体力学、运动控制、生物机能测量等方面，通过对人体运动的分析和建模，提高运动技能、降低运动风险、改善康复等方面具有广阔的应用前景。
本文将就运动生物力学的研究以及其在运动训练、康复、专业运动员的评定等方面进行阐述。
一、运动生物力学的研究1.人体力学人体力学主要研究人体下肢在运动过程中的运动学和动力学变化。
通过测量运动员的关节角度、肌肉力矩等变量，分析运动员在运动过程中各个关节的负荷情况，以提出更加合理的训练方法，避免运动员受伤等问题。
同时，人体力学研究还可以提高运动员的运动能力，例如提高跳高、跳远等竞技项目的表现。
2.运动控制运动控制是指人体中枢神经系统对于运动的控制和协调。
通过对人体神经系统的研究，可以了解人体在不同条件下对于运动的反应，从而制定出更加科学的训练方案。
同时，通过对不同人群运动控制的比较研究，可以找到不同人群在运动控制上的差异性，以帮助更好地进行康复、训练等活动。
3.生物机能测量生物机能测量是指通过各种测量仪器记录人体的心血管、呼吸、肌肉等生理数值，以分析运动员在运动时的生理反应。
通过测量和分析，可以制定出更加合理的训练方案和竞赛策略，同时也可以帮助更好地进行康复治疗。
二、运动生物力学在运动训练中的应用1.体育竞技对于体育竞技运动员来说，运动生物力学的研究与应用可以帮助他们提高运动能力、防止受伤、制定更加科学的竞赛策略。
例如，通过研究运动员的肌肉强度和神经控制，可以制定出更加科学的训练方案，以提高运动员的跳高、跳远等技能。
同时，运动生物力学还可以通过测量运动员的生理反应，确定他们的极限状态，以帮助制定出更加合理的竞赛策略，提高比赛的胜率。
2.私人健身在私人健身领域，运动生物力学的研究和应用可以帮助人们更好地了解自己的身体，制定出更加适合自己的训练方案。
例如，通过运动生物力学的分析和建模，可以得出各种运动方式对人体的影响，以帮助人们选择最合适的运动方式和运动强度。
人体生物力学模型构建及其应用
人体生物力学模型构建及其应用随着科技的进步，科学家们可以通过计算机和先进的工具，更好地了解人体运动、肌肉力量和力学应力。
人体生物力学模型是一种能够模拟人体运动、肌肉及关节应力分布的复杂计算力学模型。
本文将对人体生物力学模型的构建及其应用进行介绍。
一、人体生物力学模型的构建方法人体生物力学模型是通过计算机技术来模拟人体的运动和力学应力的。
通常通过以下数个步骤来制作模型：1. 分析人体结构在建立人体生物力学模型之前，首先需要了解人体结构及其与外部环境的相互作用。
通过对整个人体的观察和分析，能够更好地确定人体内部各个部分之间的关系。
2. 收集数据对于人体运动和力学应力的研究，关键是要收集足够的数据。
生物力学模型的制作需要一些必须的数据，例如肌肉力量、骨头强度、联合的动力学、肌肉长度变化等。
3. 制作模型模型由一系列的节点和根据节点之间连接在了一起的肌肉、骨骼、关节、弹性元件等建立，形成一个与人体结构相似的三维模型。
4. 验证与分析制作模型后需要进行验证和分析。
验证的目的是检测模型是否能够准确地模拟人体运动和力学应力。
验证过程中需要与实验数据进行比较，来确定模型的精度和准确性。
二、人体生物力学模型的应用1. 运动生物力学研究人体生物力学模型的一项主要应用是运动生物力学的研究，通过模拟人体的运动，可以帮助研究者更好地理解肌肉骨骼结构与运动之间的关系。
例如，在运动生物力学领域，人体生物力学模型可以应用于研究脚部力学性能。
研究人员通过模型运动数据的分析，能够准确地研究脚部运动对髋部和膝关节力学的影响。
2. 功能评估另一个人体生物力学模型的应用是功能评估。
通过模拟人体运动、肌肉及关节应力分布等数据，可以为医疗工作者进行疾病治疗和功能康复方案制定提供依据。
例如，利用人体生物力学模型分析，医师可以针对患者特定的伤害和疾病制定治疗方案，建议患者进行特定的康复训练以恢复特定的肌肉或关节活动功能。
3. 设计人体辅助工具人体生物力学模型还可以用于设计人体辅助工具。
生物仿生力学中的机器人手臂运动学分析研究
生物仿生力学中的机器人手臂运动学分析研究机器人手臂已经成为人类创造的最杰出的机器人设计之一。
它可以通过复杂的仿生学算法模拟人体的运动和操作。
生物学家已经研究过人的手臂动作和手指的微妙运动，这对工程师来说是发展新技术和以人为本的智能机器人非常有帮助的。
本文将探讨生物仿生力学中机器人手臂的运动学分析研究。
一、生物仿生学简介生物仿生学是一门探索和模仿生命体物理和化学的学科。
生物仿生学家试图从进化的角度探讨为什么某些生物学结构和机制是如此有效，从而促进工程技术的发展。
生物仿生学家借鉴生命的早期发展并模拟已存在的自然结构，从而发现新的方式来解决工程问题。
生物仿生学技术已经被广泛应用于各种领域，如医疗保健、机器人、航空航天等等，这一科学有助于创造优化的机器设计。
二、机器人手臂的运动学分析机器人手臂在移动时，通常需要进行运动学分析。
运动学是力学中研究物体的运动状态、并运动原因的学科。
它可以被用来解决机器人手臂运动问题，使机器人能够更高效地移动，从而提高生产效率。
机器人手臂的运动学分析需要考虑几个因素。
首先是齿轮得尺寸和型号，这决定了机器人手臂的回转半径和运动范围。
然后是连杆的加工和制造方法，以及每个连杆的长度和角度。
最后是控制系统和传感器，这对于机器人手臂的旋转和运动的减速和调整非常关键。
三、生物仿生学技术在机器人手臂中的应用生物仿生学技术已经在机器人手臂的开发中被积极应用，以实现更优化的设计。
这得益于生物学家对生物结构和机制的深入了解。
机器人设计师将研究人类的骨骼和肌肉运动，以帮助机器人手臂模拟人的手臂动作。
生物力学分析涉及对机器人手臂材料的选择、模型的建立、运动学和力学特性的计算。
科学家和设计师根据生物学家的解剖学发现，将仿生学技术运用到这一领域进行设计。
机器人手臂的仿生学应用主要分为两个方面。
第一个方面是通过对仿生学概念和原理的研究，来确定手臂和手部结构的适宜形状，提高其运动性能和灵活性。
第二个方面是探索仿生机器人协同式运动控制，通过类似人类意识形态，实现人机协同。
《上肢运动时腕部组织生物力学特征分析》范文
《上肢运动时腕部组织生物力学特征分析》篇一一、引言随着现代社会的发展，体育活动的多样化与普及程度不断提升，特别是上肢运动项目在提高人民健康水平和满足精神文化需求方面具有重要价值。
上肢运动过程中，腕部作为关键的活动枢纽，其生物力学特征直接影响着运动效果和可能产生的伤害。
本文旨在深入分析上肢运动时腕部组织的生物力学特征，以期为运动医学、康复医学以及运动训练提供理论依据。
二、上肢运动时腕部组织的生物力学特征（一）腕部组织的结构特点腕部组织结构复杂，包括骨骼、肌肉、肌腱、关节等结构。
骨骼主要为腕关节的稳定提供支持，而肌肉和肌腱则是产生动力、实现手腕灵活运动的基础。
其中，桡骨、尺骨与关节构成的结构，以及附着于其上的肌肉和肌腱等组织的配合，共同决定了腕部的生物力学特性。
（二）上肢运动时的腕部活动范围在正常上肢运动中，腕部的活动范围较大，包括屈曲、伸展、旋转等动作。
这些动作的完成依赖于肌肉的收缩和肌腱的牵拉，同时也受到骨骼和关节的约束。
因此，在分析腕部组织的生物力学特征时，必须考虑这些因素的综合作用。
（三）腕部组织的生物力学特性1. 弹性：腕部组织具有一定的弹性，能够吸收和分散外力，从而保护手腕免受伤害。
这种弹性特性对于维持手腕的正常功能具有重要意义。
2. 稳定性：在运动过程中，腕部组织需要保持一定的稳定性，以支持上肢的各项活动。
这种稳定性主要依赖于骨骼、肌肉和肌腱等组织的协同作用。
3. 灵活性：除了稳定性外，腕部组织还需要具备足够的灵活性，以实现各种复杂的动作。
这种灵活性主要取决于关节的活动范围和肌肉的收缩能力。
（四）上肢运动对腕部组织的影响上肢运动过程中，腕部组织会受到来自不同方向和不同强度的外力作用。
这些外力可能对腕部组织的生物力学特性产生影响，如长期不合理的运动可能导致关节损伤、肌肉劳损等问题。
因此，在进行上肢运动时，必须注意掌握正确的姿势和技巧，以避免对腕部组织造成不良影响。
三、研究方法与实验结果（一）研究方法本研究采用生物力学实验方法，通过模拟不同上肢运动场景下的腕部活动情况，对腕部组织的生物力学特征进行深入分析。
人体上肢运动学动力学建模与仿真技术的研究
收稿日期:2008212206;修改稿收到日期:20092122101基金项目:广东省科技计划项目(2008B010400011);广州市科技支撑计划项目(2008Z12D371);广东省教育部产学研结合项目(2009B090300340)资助1作者简介:袁清珂3(19632),男,博士,教授(E 2mail :qkyuan @ ).第27卷第2期2010年4月 计算力学学报 Chinese Journal of Computational MechanicsVol.27,No.2April 2010文章编号:100724708(2010)022*******人体上肢运动学动力学建模与仿真技术的研究袁清珂3, 骆少明, 唐文艳, 罗小美(广东工业大学机电工程学院,广州510090)摘 要:根据多体动力学原理,以人体解剖学为基础,对人体上肢进行建模,推导了其动力学和运动学方程,建立了人体上肢四刚体四自由度动力学模型,运用多系统动力学软件ADAMS ,结合U G 建模功能,对人体上肢动力学和运动学特性进行了分析计算,对人体上肢收臂翻掌过程的运动进行了仿真,并将计算结果与实测数据进行了对比,验证了模型的正确性和有效性。
关键词:人体上肢;动力学;建模方法;仿真技术中图分类号:TP391.9 文献标识码:A1 引言以人体为对象研究其建模方法,对其进行运动学和动力学分析的人体动力学,是仿人机构研究的基础理论学科之一,已在航空、汽车等领域得到了广泛应用。
研究人体动力学的建模与仿真,获取有关运动、力学数据,指导机电产品设计、运动康复器械设计、人体机能恢复等具有重要意义。
本文以人体解剖学为基础,根据多体动力学原理,对人体上肢进行建模,推导了其动力学和运动学方程,建立了人体上肢四刚体四自由度动力学模型,运用多体动力学分析软件ADAMS ,结合U G 建模功能,对人体上肢动力学和运动学特性进行了分析计算,对人体上肢收臂翻掌过程的运动进行了仿真,并将计算结果与实测数据进行了对比。
基于生物力学的人体运动分析与建模
基于生物力学的人体运动分析与建模生物力学是研究生物体力学性质、力学原理和运动功能的学科。
在人体运动分析与建模方面，生物力学提供了一种科学方法和工具，用于研究和解释人体运动的力学特征，包括运动的力学原理、肌肉力量和力学参数的测量。
人体运动分析与建模是生物力学的一个重要应用领域。
它通过收集和分析人体运动的数据，帮助我们了解人体运动的特点、原理和规律。
同时，它还可以用于评估人体运动的质量和效果，优化运动技能和训练计划，促进运动的发展和改善。
首先，人体运动分析与建模可以通过测量和分析人体运动的力学参数来研究和解释人体运动的特点和原理。
例如，通过测量人体运动的速度、加速度和角度变化等参数，可以得到人体运动的力学曲线。
通过分析这些曲线，我们可以了解人体运动的力学特征，如力量、速度、柔韧性和协调性等。
这有助于我们理解人体运动的机理和规律，以及改善和优化运动的技能和训练。
其次，人体运动分析与建模还可以通过测量和评估人体运动的质量和效果来优化运动技能和训练计划。
例如，通过测量和分析人体运动的稳定性、平衡性和能耐性等参数，可以评估人体运动的质量和效果。
这有助于我们发现和修正运动中的问题和错误，优化和改进运动的技能和训练计划。
通过采用适当的调整和改进措施，可以提高运动的质量和效果，减少运动中的风险和伤害。
此外，人体运动分析与建模还可以帮助解决一些特定的运动问题和挑战。
例如，在体育训练和竞技中，人体运动分析与建模可以用于评估和优化运动的技能和策略，提高运动员的竞技水平和竞争力。
在康复医学和康复工程中，人体运动分析与建模可以用于评估和改善运动障碍和功能障碍。
在人体工程学中，人体运动分析与建模可以用于设计和改进人机界面和人机交互系统，提高人体的功能和效能。
总之，基于生物力学的人体运动分析与建模是一门有益的学科和工具。
它可以帮助我们理解和解释人体运动的力学特征和机理，评估和优化运动的质量和效果，解决运动问题和挑战。
通过研究和应用人体运动分析与建模，我们可以提高运动的质量和效果，推动运动的发展和改善。
运动科学中的运动生物力学研究与分析方法
运动科学中的运动生物力学研究与分析方法运动生物力学是研究人体运动的科学领域，它通过应用力学原理和解析技术，分析和评估人体在运动过程中的力量、力学、能量等方面的变化，揭示人体运动的机理和规律。
运动生物力学的研究与分析方法对于运动训练、康复治疗等领域具有重要意义。
本文将介绍几种在运动科学中常用的运动生物力学研究与分析方法。
第一种方法是动作分析。
动作分析将人体运动分解为独立的几个关节运动，通过对关节角度、角速度、角加速度等参数的测量，可以揭示人体运动的特点和规律。
常用的动作分析方法包括运动捕捉技术、关节角度测量等。
例如，通过使用运动捕捉系统，可以采集到人体运动的三维坐标数据，进而分析人体姿势、运动幅度、运动轨迹等信息，从而评估运动者的技术水平和动作效果。
第二种方法是力学分析。
力学分析主要用于揭示人体运动中产生和受到的力量变化。
通过测量与受力相关的参数，如力的大小、方向、作用点等，可以定量分析力的传递和转化过程。
常用的力学分析方法包括力平台测量、力矩测量、惯性测量等。
比如，使用力平台可以测量不同步态下的地面反作用力，从而分析人体运动过程中的动作力量和平衡性。
第三种方法是能量分析。
能量分析主要用于研究人体运动中能量的变化和转化。
通过测量与能量相关的参数，如能量消耗、能量产生、能量吸收等，可以评估运动的能量效率。
常用的能量分析方法包括气体分析、代谢测量、功率测量等。
例如，通过测量呼吸氧气和产生二氧化碳的气体浓度变化，可以计算出运动过程中的能量消耗，进而评估运动员的耐力水平和能量效率。
第四种方法是仿真分析。
仿真分析通过建立数学模型和计算机模拟，模拟和预测人体运动的动力学和力学特性。
通过对模型进行参数化和计算机模拟，可以研究不同因素对人体运动的影响。
常用的仿真分析方法包括有限元分析、多体动力学分析等。
例如，使用有限元方法可以建立骨骼、肌肉和关节等组织的数学模型，进而分析和优化人体运动的力学特性。
总结起来，运动生物力学研究与分析方法包括动作分析、力学分析、能量分析和仿真分析等多种技术手段。
2021基于运动生物力学的人体运动建模方法研究范文2
2021基于运动生物力学的人体运动建模方法研究范文 摘要： 运动生物力学层次化走立人体运动模型是以运动生物力学影像解析为基础, 它能将复杂化的人机对话简单的集成在一个系统中, 并且快速的以三维动画的形式展现出, 直接的将影像分析结果展现在运动员及教练面前, 为体育运动带来便捷服务, 从运动生物力学方面进行分析, 探讨三维仿真虚拟人体标准模型定义的不统一问题, 分析建立层次化人体运动模型的方法。
先是分类运动人体关节, 之后分析人体通用模型的数据结构和定义, 并分析人体运动特殊器官手、足、脊柱等定义, 然后构建运动状态方程进行人体运动建模关键数据的捕获和特征分析;最后进行仿真实验, 结果表明, 该方法提高了人体运动分析的准确率, 对运动步行、跳跃、侧手翻等人体运动的重构能力好, 结果具有一定的合理性。
本文分析的人体模型在人体运动生物力学特征描述上比较常用。
关键词： 人体模型;运动生物力学; 自由度; Abstract： Thehierarchical human motion model of motion biomechanics is based on the analysis of motion biomechanics images.It can simply integrate complex human-machine dialogues into a system and quickly demonstrate it in the form of three-dimensional animation. The results of image analysis are directly displayed in front of athletes and coaches, which brings convenient services to sports.From the aspect of sports biomechanics, the inconsistent definition of three-dimensional virtual human model is discussed, and the method of establishing hierarchical human movement model is analyzed.First, it classifies the movement of human joints, then analyzes the data structure and definition of the general model of the human body, and analyzes the definition of the hand, foot, and spine of the human body movement special organ, and then constructs the motion state equation to capture and analyze the key data of human motion modeling;Finally, the simulation results show that the method improves the accuracy of human motion analysis, and reconstructs the ability of human movement such as walking, jumping, and turning.The results are good. Keyword： humanbody model; sports biomechanics; degree of freedom; 0、引言 随着虚拟技术和计算机技术的发展,在人体模型构建中建立三维运动虚拟空间变得更加方便, 而且运动生物力学三维模型等技术是目前应用比较多的。
《上肢运动时腕部组织生物力学特征分析》范文
《上肢运动时腕部组织生物力学特征分析》篇一一、引言人体运动生物力学作为一门交叉学科，对上肢运动过程中，特别是腕部组织的生物力学特征研究具有重要的实际意义。
本文将重点分析上肢运动时腕部组织的生物力学特性，探讨其运动过程中的力学变化规律，为运动医学、康复医学以及运动训练等领域提供理论依据。
二、研究方法本研究采用文献综述、实验研究和数据分析等方法，收集和分析有关上肢运动中腕部组织的生物力学特性相关文献资料，并运用实验方法，获取相关数据，对上肢运动过程中腕部组织的生物力学特性进行深入探讨。
三、上肢运动时腕部组织的生物力学特征1. 腕部关节结构与运动腕部由多个关节组成，包括腕掌关节、腕指关节等。
这些关节在运动过程中，会受到多种力的作用，如肌肉力、关节摩擦力等。
在屈伸、旋转等动作中，腕部组织会表现出不同的生物力学特性。
2. 肌肉力与韧带张力上肢运动时，腕部周围的肌肉会产生相应的肌肉力，如屈肌和伸肌等。
同时，腕部韧带也会产生张力，维持关节的稳定性。
这些肌肉力和韧带张力共同作用，使得腕部在运动过程中能够灵活自如。
3. 腕部组织受力分析在上肢运动过程中，腕部组织会受到多种力的作用，如重力、摩擦力等。
这些力的作用方向和大小会随着运动状态的变化而发生变化。
通过对这些力的分析，可以了解腕部组织的生物力学特性及其在运动过程中的变化规律。
四、实验研究与分析通过实验研究，我们获取了上肢在不同运动状态下腕部组织的生物力学数据。
通过对这些数据的分析，我们发现：1. 在屈伸运动中，腕部关节的应力分布呈现明显的变化规律，尤其是在某些特定角度下，应力分布最为集中。
2. 在旋转运动中，腕部组织的受力情况与屈伸运动有所不同，但同样表现出一定的规律性。
3. 腕部肌肉力和韧带张力在运动过程中起着重要作用，能够有效地维持腕部关节的稳定性和灵活性。
五、结论与建议通过对上肢运动时腕部组织的生物力学特征分析，我们得出以下结论：1. 腕部组织在运动过程中表现出复杂的生物力学特性，包括关节结构、肌肉力和韧带张力等。
人体运动过程的生物力学模型研究
人体运动过程的生物力学模型研究人体运动是指人体在空间内的各种运动表现，无论是简单的走路还是复杂的体操运动都需要人体肌肉、骨骼、关节、神经等多个系统协同工作。
然而传统的体育训练和康复治疗方法缺乏科学性和个体化，而生物力学模型可以从数学和物理角度对人体运动进行分析和模拟，为体育训练和康复治疗提供了更为科学的依据。
第一部分：生物力学模型基础生物力学是研究生物体力学性质的学科，在医学、工程学和体育科学等领域有着广泛的应用。
研究人体运动生物力学模型需要了解以下几个基础概念：骨骼系统：人体骨骼系统是人体的支撑和运动系统，由206块骨头和各种关节连接而成。
肌肉系统：人体肌肉系统是人体的动力系统，由肌肉、肌腱、韧带等组成。
在运动过程中，肌肉受到刺激产生收缩，同时连接骨骼的肌腱也会产生拉力。
关节系统：人体关节系统是连接骨骼的组织，协调了骨骼的运动和平衡。
神经系统：人体神经系统是控制和调节人体各系统运转的中枢系统，与生物力学模型相关的是神经系统对肌肉和骨骼运动的控制和调节。
第二部分：生物力学模型的建立建立生物力学模型需要有详尽的解剖学知识、高精度的测量设备和数据处理技术。
目前常用的生物力学模型包括刚体模型、多刚体模型和柔性体模型，下面分别进行介绍。
刚体模型刚体模型基于刚体假设，将人体建模为由骨头、关节、肌肉等刚体组成的系统，模拟人体运动的时候假设所有组成部分都是刚性的。
这种模型在研究人体运动学时具有很高的精度，但是在研究动力学时由于未考虑到力的作用而远离真实情况。
多刚体模型多刚体模型通过约束关系将刚体模型中的连接关系转化为动力学约束，增加模型的可靠性。
同时加入力的作用，使得模型能更好地反映人体运动的复杂特性。
柔性体模型柔性体模型考虑了人体骨骼、肌肉等的柔性特性，而不是简单的假设为刚体。
这种模型可以更真实地反映人体运动的特性，尤其是研究完整的人体运动，例如爬山、攀登等场景。
第三部分：生物力学模型的应用生物力学模型应用在训练和康复治疗中有着广泛的应用，下面分别进行介绍。
上肢生物力学建模和典型运动的生物力学研究
上肢生物力学建模和典型运动的生物力学研究崔志勇【摘要】人体是一个复杂而各异的复杂系统，为了适应人体运动所需应变情况的真实性，人体上肢生物力学建模和典型运动的生物力学研究具有重要的现实意义。
本文从上肢运动学的研究现状入手，获得了上肢生物力学和运动生物力学研究的理论基础和实现可能，分别阐述了上肢运动力学模型的建立以及屈曲运动的动力学仿真实现，为人体机能的恢复和研究提供参考。
【期刊名称】《文体用品与科技》【年(卷),期】2012(000)014【总页数】1页(P71-71)【关键词】上肢;生物力学建模;典型运动【作者】崔志勇【作者单位】郑州大学体育学院河南郑州 450044【正文语种】中文人体是一个复杂而各异的复杂系统，由于个体活体实验具有局限性，因此人体生物特性的研究也随之发生困难。
人体上肢生物力学是通过建立骨骼和肌肉组织建模来完成的，这一建模中通过对肱骨、尺骨、肩胛骨以及锁骨等连接肌肉，并建立22根肌肉的直线模型，可以精确获得骨骼的轮廓相关信息，为人体上肢的生物学力学研究提供了较为完整的具有高相似性的模型。
在“骨骼-肌肉”模型基础之上，建立了三根骨组成的自由度模型，以便上肢和前臂运动的完成，通过驱动产生的复杂运动，对人体上肢的动力学进行了分析。
1、上肢运动学的研究现状人体骨骼的运动学为人提供了不同状态下可能产生的运动学的位移、速度和加速度等参数，注重肌肉和韧带的作用力以及关节的关节力。
为了适应人体运动所需应变情况的真实性，生物力学的合理研究便捷条件就有其重要的现实意义。
随着精细化程度的提高，计算机技术的发展越来越多的将科技引入到骨肌系统模型仿真人体的运动中来，全面系统的模拟全身各部分骨骼和肌肉的组织，通过三维高速影像系统定点确定变换位置，使骨骼间相互协调建立骨骼轨迹。
1996年这一上肢部分骨肌系统的项目完成实现了上肢运动的仿真实验。
2、上肢动力学模型的建立本文在研究人体“骨骼-肌肉”系统建模的基础上，所进行的动力学和运动学分析应用广泛，人们可以根据人体动力学的相关原理和建模数据提炼，指导运动康复器械设计和人体机能的恢复等等，甚至在航空航天、汽车制造等领域里也同样具有现实意义。
人体肌肉生物力学模型的建立及其应用研究
人体肌肉生物力学模型的建立及其应用研究人体肌肉生物力学模型是一种描述肌肉结构和生理特性的方法，它能够描述肌肉受力及其对整个身体的运动和稳定性的影响。
在医学、运动医学、体育等领域，人体肌肉生物力学模型被广泛应用。
本文旨在介绍人体肌肉生物力学模型的建立方法和应用研究现状。
一、人体肌肉生物力学模型的建立方法人体肌肉生物力学模型的建立涉及多个方面的知识，包括解剖学、生理学、传感器技术、运动学、动力学、数学建模等。
人体肌肉生物力学模型的建立一般包括以下几个步骤：1. 选择肌肉选择需要研究的肌肉，一般需要考虑受力最大、受力最频繁、对某项运动影响最大等因素。
2. 测量肌肉步态、力量和肌肉活力在生理测量实验装置中，运用支持肌肉的传感器、电极、加速度计等技术手段，实现膝关节、颈部、腰部和手等关节及肌群的运动和功能测量。
3. 采集数据并进行分析采集测量到的数据，包括质量、力矩、速度、角位移等，进行数据处理和分析。
统计学方法和动力学方法是应用广泛的数据分析方法。
4. 建立数学模型根据统计学数据和动力学方程式对肌肉进行建模，将肌肉的生理特性（力-长度、力-速度、力-时间关系等）描述成数学形式。
目前，刚性体分析、柔性/多体动力学分析、有限元分析等方法都被应用于人体肌肉生物力学模型的建立。
5. 评估模型准确性将建立的模型与实际测量数据进行对比，评估模型的准确性，包括判断肌肉属性、肌肉合作、肌骨协同运动以及肌肉疲劳等方面。
二、人体肌肉生物力学模型的应用研究人体肌肉生物力学模型应用于医学、运动科学和工业设计等领域，被广泛应用于研究运动和劳动的创伤机制，分析姿势、平衡和动作的姿态调节和调整。
以下是人体肌肉生物力学模型的应用研究案例。
1. 运动医学运动过程中的肌肉活动是肌肉消耗的主要源泉，了解肌肉生物力学模型对运动员运动训练和调度等方面有重要的意义。
将人体肌肉生物力学模型应用于运动医学，可以分析肌肉的负荷、疲劳和肌肉损伤机制，为运动医学提供更全面的理论基础。
人体力学与生物力学研究新进展
人体力学与生物力学研究新进展随着科技的不断进步，人体力学和生物力学研究领域也在不断扩展和深入。
人体力学和生物力学研究是研究人体运动和力学特征的学科，也是生物力学领域的重要分支之一。
它涉及到包括肌肉、骨骼和关节在内的人体生物学结构，可以用于理解、优化和改善人体功能，如运动机能和姿势控制等。
在本文中，我们将探讨人体力学和生物力学研究的新进展和应用。
一、运动损伤预防及康复治疗人体力学和生物力学研究可以帮助人们减少运动受伤的风险和促进运动康复。
研究人员通过分析人体运动过程中的力学特征和关键指标，建立了运动损伤的风险评估体系。
通过这个评估，运动员或普通人可以了解自己的运动风险，进而遵循科学的训练方式和预防方案，降低运动損傷的发生和减少康复期间的治疗时间。
同时，人体力学和生物力学研究也为康复治疗提供了新的思路和工具。
利用力学模型分析肌肉收缩、骨骼位移和膜肌伸长等生物力学指标，可以更好地评估损伤及康复程度。
同时在康复过程中，不同肌肉组合可以产生不同的生物力学反应，因此研究人员也积极探索不同肌肉组合的治疗效果，期望为康复治疗提供创新的选择。
二、人体姿势和行为涉及的生物力学探究在人体力学和生物力学领域中，人体姿势和行为是研究的重要方向。
研究表明，不良的姿势和行为习惯是许多常见的运动損傷和慢性疾病的根源。
因此，通过研究人体的生物力学特征和姿势行为，可以帮助人们对自己的习惯有更好的认识，及时发现并纠正自己的不良习惯。
例如，现在有很多公司和健身教练已经开始运用生物力学研究成果进行姿态检测和调整。
他们会使用3D扫描、红外线和其他高科技设备来检测人体姿势和行为的失衡，进而通过有针对性的训练方法进行修正。
三、航天飞行和运动发力探究除了医学领域，运动和航空航天领域也是人体力学和生物力学研究的重要应用领域。
在航空航天领域，科学家需要对航天员在环境微重力下的运动机能进行研究和分析。
通过这些研究，我们可以更好地了解如何调整航天员的运动；在不同的重力方向下人体的运动机能的变化情况和调整方式等。
人体行走过程中上肢运动仿真及生物力学特征分析
第43卷第8期 2009年8月上海交通大学学报JOU RN AL O F SH AN G HA I JIA OT O N G U N IV ERSIT YVol.43No.8 Aug.2009收稿日期:2008 09 02基金项目:国家自然科学基金重点项目资助(30530230,30470455);上海市体育局科研攻关与科技服务项目资助(07J T018)作者简介:王洪生(1986 ),男,江西上饶人,硕士生.主要研究方向为人体生物力学、人体运动学.王成焘(联系人),男,教授,博士生导师,电话(T el.):021 ********;E m ail:trib@s .文章编号:1006 2467(2009)08 1302 05人体行走过程中上肢运动仿真及生物力学特征分析王洪生, 白雪岭, 张希安, 张琳琳, 王成焘(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)摘 要:为了分析人体行走过程中上肢运动状态的影响因素,对正常步态下人体上肢运动仿真模型与理想单摆模型进行了对比分析.以7名(4男,3女)步态无异常的志愿者为研究对象,采集人体测量学参数,建立上肢理想单摆模型.采用运动捕捉系统及肌电测量系统,对志愿者常速(1.2m/s)步行下的上肢运动以及肩关节周围6组肌肉的肌电信号进行同步测量,并基于所测运动学参数对人体行走中上肢运动进行仿真,计算实际肩关节角位移和角速度,分析相关肌肉的肌电信号特征.理想模型与实际测量结果比较表明,不同志愿者在同速行走过程中上肢的摆动周期相近,各相关肌肉肌电信号随摆臂而周期性变化,上肢实际最大摆动角速度均大于理想单摆角速度.证明摆臂过程中肩关节周围相关肌群驱动力大于肩关节阻尼.关键词:上肢;肌电信号;步态;运动捕捉中图分类号:R 318.01 文献标识码:AKinematics Simulation and Biomechanics Characteristic Analysis of U pper Extremity during Human WalkingWA N G H ong sheng , BA I X ue ling , ZH A N G X i an, ZH AN G L in lin, WAN G Cheng tao (School of M echanical Eng ineer ing ,Shanghai Jiaotong U niv er sity,Shanghai 200240,China)Abstract:In order to investig ate the factors that influence the mo vem ent condition o f upper extremity dur ing hum an walking,a co mparative study betw een the ex perimental conditio n and the ideal pendulum mo del condition w as co nducted.Firstly,sev en health participants (4males and 3females)w ere inv olved in the ex periment and the pendulum m odels w ere built according to their anthro pom etric parameters.Secondly,the markers coordinatio n and the EM G of related m uscles w ere simultaneously m easured w hen the partici pant w as w alking on a tr eadm ill w ith a daily v elo city of 1.2m/s.Based on the captured signals,the angle and angular velocity of the sho ulder joint w as calculated and the actual angular velocity w as co mpared w ith the v elo city of the upper extremity pendulum mo del.Also an analy sis w as undertaken for the recorded EM G.The study sho ws that the actual maxim um angular velocity of shoulder joint ex ceeds those of the virtual pendulum s and the EM G of the related m uscles w as cycling according to the periods of sw ing.The ex periment also indicates that the actual periods o f upper limb swing represent a level of similarity amo ng different participants;the related muscular forces contribute larg er motivity than the damp of the shoulder joint during human w alking in a no rmal speed.Key words:upper ex trem ity ;electro myo graphy (EM G)sig nals;g ait;mo tion capture正常人体步行过程中,上肢伴随下肢的运动而做周期摆动.Wagenaar等[1]认为,人体在低速运动过程中上肢的习惯摆动周期与上肢的固有频率(质量与质心到肩关节的长度的函数)有关;而在高速过程中上肢摆动频率主要与下肢的频率有关.Webb 等[2]在对人体上肢运动特性的研究中引入了虚拟单摆理论,分析了步频与人体上肢单摆频率的关系,并认为单摆假设将在上肢运动研究中扮演重要角色. Bertram等[3]对人体上肢单摆模型进行了进一步研究,并从能量角度对模型仿真性能加以探讨.而基于上肢单摆模型的研究表明[4],人体肌肉能量消耗主要用来改变人体的质心位置.Neptune等[5]提出肌肉的能量输出不仅用于双脚支撑阶段时人体质心位置的改变,还用于单脚支撑阶段质心位置抬高. Gutnik等[6]把步态过程中人体上肢运动与虚拟单摆运动进行了比较,认为肌肉对上肢运动具有一定的影响.然而,以上研究没有在人体步态测量过程中同步进行主要肌肉群的肌电信号测量.本文在步态试验中对肌电信号进行同步测量,与理想单摆模型进行对比,分析上肢肌肉群对人体行走过程中上肢摆臂运动的影响.1 试验方法1.1 试验对象在上海交通大学机械与动力工程学院师生中挑选7名身体健康并步态无异常的志愿者(4男3女)作为研究对象(试验之前他们均不知道本试验的直接目的).测量志愿者的人体测量学参数(见表1),包括:身高、体重、前臂长度、上臂长度以及手长;前臂长度为桡骨茎突到外上髁距离、上臂为肩峰到外上髁,手为桡骨茎突到中指指尖距离,臂长取为肩峰到桡骨茎突.表1 志愿者人体测量学基本参数Tab.1 Anthropom etric parameters of participants试验对象(编号)身高/m体重/kg上臂长/m前臂长/m手长/m#1 1.76363.20.3150.2450.195男性#2 1.63350.20.3000.2180.177#3 1.73563.50.3120.2550.190#4 1.81780.10.3250.2620.200#5 1.65455.20.2820.2250.178女性#6 1.58746.50.2850.2100.175 #7 1.72153.40.3170.2450.1801.2 试验设备及方案本试验采用Optotrak Certus运动捕捉系统对人体行走过程中上肢运动进行运动捕捉.如图1所示,2个Marker刚体(每个刚体至少由3个Marker 点组成)通过自黏性纱布分别固结在前臂、上臂的外侧,另一个刚体贴附于胸骨,以参考计算上臂摆动角度.由于手腕关节在行走过程中运动幅度微小,故可把手与前臂视为同一个刚体.对于不易采集的各关键解剖特性点,采用Optotrak Certus运动捕捉系统的虚拟工具进行虚拟M arker设置(虚拟M arker所对应刚体的位置不变),分别对上肢运动相关的6个解剖特征点(肩峰、外上髁、内上髁、桡骨茎突、尺骨茎突、中节指关节)设置虚拟Marker点,并测量贴附于试验对象上肢主动发光Marker点的三维运动轨迹.上肢的运动的捕捉频率为30H z,测量误差在0.1m m以内.图1 前臂/上臂刚体及创建的虚拟M arker(白色的亮点示意)F ig.1 T he attached M arker cluster s of for earm/upper arm&the anat omical land mar ker s(w hite highlig hts)采用8 通道肌电测试系统对摆臂过程中肩关节周围6块主要肌肉(三角肌前部、胸大肌锁骨部、肱二头肌、背阔肌、大圆肌、三角肌后部)的肌电信号进行同步测量,试验过程详见文献[7].1.3 试验过程首先对试验对象进行人体学参数测量,然后按以上制定的M ar ker点和肌电电极方案依次对其进行贴附.志愿者上身穿短T恤或背心.在捕捉试验开始之前调节跑步机速度至1.2m/s,每位试验者都将进行至少4次适应性练习,以适应试验室的光线、温度、跑步机及其他仪器设备.要求试验者以自然放松的状态走,然后开始捕捉测量;每位试验者同样动作循环20次.2 结果及数据分析2.1 上肢单摆模型的运动分析上肢运动过程中单摆的质量为上肢的总质量,1303第8期王洪生,等:人体行走过程中上肢运动仿真及生物力学特征分析单摆长度为上肢质心到肩关节距离.如图2所示,前屈/后伸过程中质心落在上肢体以外,具体位置确定如下[8]:x = (m ix i )m iy = (mi y i )mil =(x 2+y 2)(1)式中:m i 为各部位的质量;x i 为m i 质心到支点(肩关节)的水平距离;y i 为m i 质心到支点(肩关节)的垂直距离;l 为单摆的长度.得到最大前屈位置或最大后伸位置的等效单摆的质量与长度,则在最低点的转速:I max =m l 2maxE potential =mg (L -l max )max =2E potential /I max(2)式中:l max 为平衡位置单摆最大臂长;L 为平衡位置单摆臂长;E potential 为上臂最高点(最大前屈)势能,g 为重力加速度;I max 为平衡位置转动惯量; max 为单摆最大角速度.根据人体惯性参数的国际标准[9],把已测得的人体参数代入如下的二元回归方程:y =B 0+B 1X 1+B 2X 2(3)图2 上肢摆动前屈/后伸过程F ig.2 T he fo rw ard flex io n/backwar d ex tensiono f upper limb式中:X 1、X 2分别为试验对象的体重与身高;B 0、B 1、B 2为方程系数(与性别有关).由式(3)计算出试验者上肢各部位的质量、质心位置.将上肢各部位的质量、质心位置代入式(1)可得各位试验者上肢的l max 、L 和I max (见表2).最大前屈/后伸垂直位置可由三维捕捉系统(NDI)测量得到;理想单摆模型的最大前屈势能全部转化为摆动最低点的动能,把所得数据分别代入式(2)可得单摆平均最大角速度 max ,结果如表2所示.表中质心测量起点为:上臂,即桡骨点;前臂,即桡骨茎突点;手,即中指指尖点.表2 志愿者上肢基本惯性参数及计算所得单摆模型参数Tab.2 The inertial parameters of upper limb and the calculated parameters of virtual pendulum试验对象(编号)质心位置(m)/质量(k g)上臂前臂手l ma x /m I ma x /(k g !m 2) max /(rad !s -1)#10.167/1.750.137/0.910.116/0.470.2810.2477 1.024男性#20.154/1.350.124/0.690.110/0.380.2470.1995 1.457#30.164/1.760.135/0.910.116/0.460.2750.2454 1.214#40.174/2.260.147/1.200.122/0.540.3020.2832 1.078#50.158/1.450.122/0.650.116/0.270.2540.2024 1.201女性#60.150/1.190.116/0.520.112/0.250.2420.1878 1.054#70.161/1.310.123/0.630.116/0.280.2650.21841.1652.2 实际运动测量数据分析利用NDI 将测得的各解剖特性点的运动学参数以及肌电测量仪(Bo rtec)同步采集的目标肌肉的肌电信号保存为*.c3d 格式的文件.然后,将该文件导入Visual3D 中建立对象的三维骨架模型,并进行运动计算,计算正常行走过程中上肢摆动的角位移、角速度.其中,典型运动阶段如图3所示.图4所示为正常行走过程中上肢摆动状态下的肩关节角位移和角速度曲线.其中,#1为所测4名男性试验者运动学参数平均值,#2为3名女性试图3 V isual3D 上肢模型摆动的典型阶段F ig.3 T he mo del of ty pical perio ds dur ing upperlimb swing1304上 海 交 通 大 学 学 报第43卷(a)#1试验者步行时手部解剖特性点垂直位置变化(b)#2试验者步行时手部解剖特性点垂直位置变化(c)#1试验者步行时肩关节矢状面角度(d)#2试验者步行时肩关节矢状面角度(e)#1试验者步行时肩关节矢状面角速度(f)#2试验者步行时肩关节矢状面角速度图4 试验对象的中节指关节点垂直位移、肩关节角位移与角速度曲线F ig.4 T he vert ical displacement o f PM,ang ular displacement and velocity of shoulder joint fo r participants验者的平均值,采样频率为30H z.可见:正常速度(1.2m/s)下不同对象同速步行时,摆臂周期具有一定统一性[(1.1∀0.08)s],但摆臂幅度以及角速度有较大差异.#1步行过程中肩关节最大转角为(0.17∀0.01)rad与(-0.12∀0.01)rad(后伸);最大角速度为(0.64∀0.11)rad/s与(-0.88∀0.07)rad/s(后伸).#2肩关节最大转角为(0.20∀0.02)rad与(-0.13∀0.01)rad(后伸);最大角速度为(0.84∀0.12)rad/s与(1.00∀0.05)rad/s(后伸).将实测结果与理想单摆模型计算结果进行比较发现,人体上肢理想单摆模型计算得到的矢状面上肢运动学参数与实际结果偏差较大.2.3 肌电信号分析本文对志愿者正常行走过程中上肢主要肌肉的肌电信号进行了同步采集,采集频率为900H z.结果表明,在步态过程中,肌电信号呈现出周期性变化特征.图5所示为一个步态周期下,志愿者正常行走过程中肩关节主要肌肉的肌电信号,其中,高频信号已经过整流与低通滤波处理.由图可见,1个周期内各肌电信号的变化趋势:前屈阶段(0~0.75s)三角肌前头、三角肌后头受到较大刺激,肌电信号分别从0.02mV增至(0.103∀0.007)mV(三角肌前头)、(0.081∀0.006)mV(三角肌后头);大圆肌有平均1305 第8期王洪生,等:人体行走过程中上肢运动仿真及生物力学特征分析0.37mV 的肌电信号;后伸阶段(0.75~1.17s)大圆肌肌电信号从0.037m V 增大到0.105mV,三角肌前/后头也分别受到0.03mV 水平的肌电刺激;在整个周期中,背阔肌、肱二头肌及胸大肌的肌电信号较小.图5 上肢摆动中肩关节主要肌肉的肌电信号Fig.5 EM G o f the main muscles related to upperlimb s movement3 讨 论男性试验者上肢单摆模型的平均最大角速度为0.51rad/s,而实际所测最大前屈角速度为(0.64∀0.11)r ad/s;女性试验者上肢单摆模型最大角速度为0.73rad/s,而实际所测最大前屈角速度为(0.84∀0.12)r ad/s.比较上述数据,即人体实际最大摆臂速度大于无阻尼下的单摆速度.所测肌电信号反映了上肢肌肉对摆臂的作用情况,即前屈阶段三角肌前/后头发出较大的肌肉力、而后伸阶段大圆肌对上肢施加了较大的驱动力.肱二头肌肌电信号较小,说明在摆臂过程中肘关节屈伸幅度较小;胸大肌肌电信号较小,说明摆臂过程中上肢外展、外旋(即冠状面、横截面运动)幅度较小.背阔肌对上臂的作用主要为使臂内收、内旋和后伸,其信号微弱,说明摆臂过程中内收、内旋的阻力较小.同时,由于前屈时较大的势能转化为后伸的动能,使得在正常行走中需要背阔肌作为后伸原动力较小.上肢摆动状态受重力、相关肌肉力和肩关节关节阻尼的综合影响,由实际与理想模型的比较结果可知,肌肉力驱动作用大于关节阻尼,则实际速度大于理想模型速度.4 结 语本文基于运动捕捉系统和肌电测量系统,以7名无步态异常的高校师生为试验对象,对其进行了正常步态过程中上肢运动的运动学测量,并同步测量了相关肌肉的肌电信号,避免了运动与肌电分开测量时所带来的误差.将实际运动与上肢理想单摆模型运动进行比较,得出正常步态(1.2m/s)三角肌、大圆肌对肩关节驱动力作用大于关节阻尼,且实际摆臂角速度大于无阻尼状态的理想单摆模型角速度.文中建立的一整套试验方案对以后人体上肢运动测量试验有一定的指导作用,对人体上肢运动状态的深入研究、人体运动机制研究、脑偏瘫诊断、康复治疗等领域具有深远意义.参考文献:[1] Wag enaar R C,v an Emmer ik R E.R eso nant fr equencies of arms and legs identify different w alking patterns [J].Journal of Biomechanical ,2000,33(7):853 861.[2] Webb D,T uttle R H,Baksh M .Pendular activ ity o fhuman upper limbs during slo w and no rmal w alking [J].American Journal of Physical Anthropology ,1994,93(4):477 489.[3] Bert ram J E,Chang Y H.M echanical energ y oscillations o f tw o brachiatio n g aits:M easurement and simu latio n [J].Am erican Journal of Physical Anthropology ,2001,115(4):319 326.[4] Kuo A D.Ener getics o f actively pow ered lo co motionusing the simplest w alking mo del [J].Journal of Bio mechanical Engineering ,2002,124(2):113 120.[5] Neptune R R,Zajac F E,Kautz S A.M uscle mechanical w or k r equir ements during no rmal w alking :T he en er getic cost of r aising the bo dy s center of mass is sig nificant [J].Journal of Biomechanics ,2004,37(6):817 825.[6] Gutnik B,M ackie H ,H udson G,et al .H ow clo se toa pendulum is human upper limb mov ement during walking ?[J].Journal of Comparative Human Biology ,2005,56(1):35 49.[7] Luttg ens K ,Hamilto n N.Kinesio lo gy :Scientif ic basisof human motio n [M ].Bosto n:W CB M cGr aw H ill,1997.[8] T imo shenko S,Y oung D H.Eng ineer ing mechanics[M ].4th edition .N ew Y or k:M cGr aw H ill,1956.[9] 刘静民.GB/T 17245 2004成年人人体惯性参数[M ].北京:中国标准出版社,2004.1306上 海 交 通 大 学 学 报第43卷。
人体运动状态下的生物力学模型建立与优化研究
人体运动状态下的生物力学模型建立与优化研究第一章引言随着现代科技的发展，人体运动状态下的生物力学模型研究逐渐成为热门的研究领域，其研究范围广泛，包括人体骨骼肌肉结构、关节运动机理等等。
此外，运动状态下的生物力学模型对于运动教练、医生、康复师等人员提供了重要的指导意义。
因此，本文将从生物力学模型的建立和优化两个方面入手，介绍目前常用的实验方法和数学模型，同时对其优化算法进行讨论。
第二章生物力学模型的建立方法生物力学模型的建立方法包括实验测量和数学模型两个方面。
实验测量是生物力学模型建立的基础，其结果对于数学模型的建立具有重要意义。
目前常用的实验测量方法主要包括静态实验和动态实验两种。
2.1 静态实验静态实验采用测量人体在不动或静止状态下的关节角度、肌肉张力等参数来建立生物力学模型。
这种方法的优点是精度高，但缺点是只能测量静态状态下的参数，无法考虑不同运动状态下的影响。
因此，静态实验多用于建立关节角度和肌肉长度等参数的基础数据。
2.2 动态实验动态实验采用运动捕捉系统等设备来测量人体在运动状态下的关节运动轨迹、肌肉张力等参数，从而建立生物力学模型。
这种方法的优点是能够测量不同运动状态下的变化，缺点是精度受多种因素影响，如设备精度、测量员操作技术等。
第三章数学模型生物力学模型建立的数学模型主要包括刚体模型、柔性模型和多体动力学模型。
以下将分别介绍各种模型的优点和适用范围。
3.1 刚体模型刚体模型将人体看作由多个刚体组成的系统，将刚体和关节之间的联系视为旋转副和平移副建立关节动力学模型。
这种模型适用于运动速度较慢，关节运动角度和速度变化较小的系统，如步态分析、肌肉传力研究等。
3.2 柔性模型柔性模型将人体看作由多个柔性体组成的系统，采用有限元分析等方法建立系统的弹性力学模型。
这种模型适用于运动速度较快，关节运动幅度较大的系统，如舞蹈、田径等。
3.3 多体动力学模型多体动力学模型将人体看作由多个刚体和柔性体组成的混合系统，采用广义坐标法和牛顿－欧拉法等方法建立系统的动力学方程。
《上肢运动时腕部组织生物力学特征分析》
《上肢运动时腕部组织生物力学特征分析》篇一一、引言随着人们对身体健康和运动性能的不断追求，人体运动生物力学已成为众多学者研究的热点领域。
作为人体上肢运动的关键部位之一，腕部组织的生物力学特征分析显得尤为重要。
本文将详细分析上肢运动时腕部组织的生物力学特征，旨在为运动员、康复训练以及医学研究提供参考依据。
二、研究背景腕部作为连接上肢与手部的关键部位，其组织结构复杂，包括关节、肌肉、韧带和软骨等。
在上肢运动过程中，腕部需承担着传导力、调节姿态及协同完成精细动作等多种功能。
因此，深入探讨腕部组织的生物力学特征，有助于更好地理解其生理机制及在运动中的力学变化。
三、上肢运动时腕部组织的生物力学特征分析（一）关节结构与运动腕部关节包括腕掌关节、腕间关节和腕桡关节等。
这些关节在运动过程中需承受来自不同方向的力量和力矩，从而影响整个上肢的运动轨迹和动作执行。
例如，在投掷运动中，腕关节的屈伸和旋转动作对于提高投掷效果具有重要意义。
（二）肌肉的分布与作用腕部肌肉主要分布在手掌及前臂区域，它们对于调节腕部关节角度和保持上肢姿态具有重要意义。
不同肌肉在收缩过程中产生不同的力，有助于提高动作的协调性和灵活性。
例如，伸腕肌和屈腕肌的协调作用可以维持手臂在投掷或接球时的稳定性。
（三）韧带的稳定性作用韧带作为连接骨骼的重要结构，对于维持腕部稳定性具有重要意义。
在运动过程中，韧带需承受来自不同方向的拉力和压力，以保持关节的稳定性和动作的协调性。
此外，韧带还具有保护腕部组织免受损伤的作用。
（四）软骨的减震与润滑功能腕部软骨在运动过程中起着减震和润滑作用，能够减轻外力对腕部组织的冲击和磨损。
同时，软骨还能够提供一定的滑动空间，以保持关节的灵活性和动作的流畅性。
四、研究方法与结果本研究采用生物力学原理和技术手段，通过实验观察和分析上肢运动时腕部组织的生物力学特征。
首先，利用三维运动捕捉系统对上肢运动过程进行实时监测；其次，通过肌肉电信号检测技术分析肌肉的收缩情况；最后，结合解剖学和生理学知识对实验结果进行综合分析。
人体手臂生物力学建模研究
人体手臂生物力学建模研究
王万峰;钱炜;姚雨蒙
【期刊名称】《建模与仿真》
【年(卷),期】2022(11)6
【摘要】在工业领域中,手臂振动病问题日益突出,振动性白指为手臂振动病的典型特征,而现有模型对手指部分过于简化,无法很好地评估手传振动特性。
本研究针对此问题,以弯臂姿势为基础,把手指部分细分为近指关节部分与其余部分,建立人体手臂系统六自由度生物力学模型,结合实验数据,辨识模型参数,验证所建模型,为手臂振动病的防治提供依据。
【总页数】7页(P1636-1642)
【作者】王万峰;钱炜;姚雨蒙
【作者单位】上海理工大学
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.原地单手肩上投篮动作中投篮手臂的人体生物力学分析
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3.基于运动生物力学的人体运动建模方法
4.人体下肢生物力学建模研究进展
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人体上肢生物力学建模和典型运动的生物力学研究人体系统的复杂性、个体差异性、多样性以及活体实验的局限性,使得关于人体生物特性的研究工作开展十分困难。
与此同时,随着医疗条件的改善,人们对生活质量的要求越来越高,如何预防运动损伤的发生,改善假体植入的效果,成为当前相关领域生物医学研究者的重要研究工作。
本文基于研究所承担的“中国力学虚拟人”国家自然科学基金重点项目和两个横向课题为支撑,在建立人体上肢部“骨骼-肌肉”三维几何模型和力学模型的基础上,建立了上肢运动学和动力学仿真分析模型。
通过输入人体骨性标记点的运动轨迹,可以驱动仿真模型完成相应的运动,并计算出关节力、关节转矩等动力学参数。
利用EMG信号辅助方法,预测部分参与运动肌肉的肌肉力。
将预测的肌肉力和动力学仿真分析结果作为有限元模型的边界条件,可以分析运动过程中骨组织的应力分布规律。
以前臂屈曲运动为典型运动进行了模型的验证工作。
同时设计了一个实验进行了前臂屈曲运动的尸体试验。
具体的研究内容包括:(1)人体上肢“骨骼-肌肉”几何建模。
采用图像分割和曲线最小二乘逼近的方法,精确获取骨骼轮廓信息,构建的上肢骨骼模型包括:肱骨、尺骨、桡骨、肩胛骨和锁骨等。
连接骨骼上肌肉的起止点建立了上肢22根肌肉的直线模型,部分羽状肌用一束直线来模拟。
模型可以用来做植入假体的几何仿真和有限元力学计算,为人体上肢部系统的分析提供了一个目前该研究领域中较为完整和解剖相似性较高的模型。
(2)建立了上肢的运动学和动力学仿真分析模型,运动学模型是由三根骨组成的具有5个自由度的模型,可以完成上臂和前臂的各种运动。
采用NDI运动捕
捉系统捕捉的运动作为模型的输入,可以驱动仿真模型产生复杂运动,并计算运动过程中各个肌肉的长度变化情况和各个骨骼的运动学参数,如位移、速度和加速度等。
代入动力学模型中,结合EMG信号辅助算法计算运动过程中的肌肉力和相关动力学参数,如关节力和关节转矩。
以典型的屈曲运动为例进行了运动学和动力学的分析。
(3)建立了上肢各骨的有限元模型,基于人体骨CT灰度值计算了不同骨组织的弹性模量,根据文献设定软骨的材料属性。
分别对上臂外旋和前臂屈曲运动进行了关节接触问题的仿真,证明了模型的有效性。
又将动力学仿真分析结果(关节力和肌肉力)作为静力学边界条件加载到有限元模型中,分析了肱骨在前臂屈曲运动过程中的应力-应变变化情况,并比较了肌力作用前后肱骨应力的改变。
(4)设计了一个尸体试验,对肱二头肌、肱三头肌、肱桡肌和肱肌分别按照肌肉力的原始发力方向加载,使前臂产生主动屈曲运动。
并采用参考文献中的三种定比例加载方案和按预测肌肉力的变比值加载方案分别进行了前臂的屈曲运动实验。
记录了前臂从30o～120o的屈曲过程中屈曲角度每增加15o时肌肉力的数值,比较肌肉力的预测值和测量值的变化规律;记录和分析了不同加载方案使前臂产生屈曲运动的运动轨迹情况。
(5)根据CT三维重建模型,测量了180个正常中国人肱骨的三维解剖学参数,主要包括肱骨全长、肱骨近端髓腔直径、肱骨头冠状面直径、矢状面直径、肱骨头的表面曲率半径、肱骨头的高度、颈干角、后倾角、内侧偏心距和后侧偏心距等十个参数。
根据统计结果比较了统计的平均值与“中国力学虚拟人”所建立的标准人的区别;比较了中国人的解剖学参数与目前国内临床常用的四种解剖型假体参数(肱骨头的表面曲率半径、肱骨头的高度、颈干
角和后倾角)的关系。
本文建立了人体上肢部的三维几何模型、运动学仿真模型、动力学仿真模型和有限元模型,建成一个上肢生物力学研究平台,可以广泛地应用于生物力学研究,如对肩关节假体置换的生物力学评价,从而指导假体的设计,提高使用寿命。