基于肌肉骨骼系统的人体动作仿真
人体肌肉骨骼模型设计与仿真
人体肌肉骨骼模型设计与仿真人体是一个复杂的系统，包含了许多器官和组织。
其中，肌肉骨骼系统是人体运动的基础。
因此，对于肌肉骨骼系统的研究具有重要意义。
为了更好地研究和理解肌肉骨骼系统，科学家们设计了肌肉骨骼模型并进行了仿真。
一、肌肉骨骼模型的设计肌肉骨骼模型的设计需要考虑多个因素，包括人体解剖学知识、生物力学知识，甚至是物理学知识。
在设计过程中，需要对人体骨骼、肌肉、关节等结构进行建模，并考虑这些结构之间的相互作用和影响。
首先，要进行骨骼建模。
骨骼是人体运动的支架，也是肌肉连接点。
因此，在建模时需要考虑骨骼的形态、大小、连接方式等因素。
同时，还要考虑骨骼的运动范围和限制，以及关节的特点。
其次，需要进行肌肉建模。
肌肉是人体运动的主要驱动力，因此，肌肉建模至关重要。
在建模时需要考虑肌肉的形状、大小、位置等因素，并将其与骨骼进行连接。
最后，需要考虑关节建模。
关节是连接骨骼的连接点，也是人体运动的关键。
在建模时需要考虑关节的类型、限制、活动范围等因素。
二、肌肉骨骼模型的仿真在肌肉骨骼模型完成后，需要进行仿真，以模拟人体的运动。
肌肉骨骼模型的仿真通常采用计算机模拟技术，可以通过计算机程序模拟并预测人体在不同条件下的运动。
在仿真过程中，首先需要计算肌肉的张力和弛缓。
肌肉的张力和弛缓受到神经系统、刺激、负重等多种因素的影响。
为了更好地模拟人体的肌肉张力和弛缓，计算机程序通常会模拟神经系统的作用和刺激的影响，以及其他因素的影响。
其次，需要计算骨骼的运动轨迹。
在模拟人体运动时，需要考虑骨骼的运动范围和限制，以及肌肉的作用。
为了更好地计算骨骼的运动轨迹，计算机程序通常会采用生物力学知识，考虑骨骼和肌肉之间的相互作用和影响。
最后，需要进行运动预测。
通过计算机程序模拟人体的运动，可以预测人体在不同条件下的运动表现。
这对于研究人体运动学、改善人体运动能力等方面都具有重要意义。
三、肌肉骨骼模型在医学和运动研究中的应用肌肉骨骼模型的设计和仿真对于医学和运动研究具有重要意义。
骨肌系统生物力学建模与仿真
骨肌系统生物力学建模与仿真近年来，随着科技的不断进步，骨肌系统生物力学的研究逐渐引起了人们的关注。
骨肌系统是人体内最基本的运动系统，它由骨骼和肌肉构成，承担着人体运动和姿势控制等重要功能。
而生物力学是研究生物体力学性能及其相关机制的学科，通过建立数学模型和进行仿真，可以更好地理解和分析骨肌系统的力学行为。
骨肌系统的生物力学建模与仿真是一项复杂而又具有挑战性的工作。
首先，我们需要收集大量的解剖学、生理学和力学学的数据，以确定骨骼和肌肉的几何形状、力学性质以及关节的运动范围等。
然后，基于这些数据，我们可以建立骨肌系统的几何模型和力学模型，用于描述和预测骨骼和肌肉的运动和力学行为。
在骨肌系统的生物力学建模中，骨骼的几何形状和力学性质是非常重要的参数。
骨骼的形状和大小会影响肌肉的附着点和力的传递路径，而骨骼的力学性质则会影响骨骼的刚度和强度。
因此，我们需要通过解剖学、影像学和力学测试等手段来获取骨骼的相关信息，以便更准确地建立骨骼模型。
肌肉的建模也是骨肌系统生物力学建模的关键之一。
肌肉是由肌纤维组成的，肌纤维又由肌原纤维和肌原纤维束组成。
肌原纤维是肌肉的最小功能单位，它能够收缩产生力，并通过肌腱将力传递给骨骼。
因此，我们需要了解肌肉的结构特征、力学性质和收缩特性等，以便更好地模拟肌肉的力学行为。
骨肌系统的力学行为可以通过建立数学模型和进行仿真来模拟和分析。
数学模型可以通过应用力学原理和运动学原理等来描述骨肌系统的运动和力学行为。
而仿真则可以通过计算机模拟来模拟和预测骨肌系统的力学行为。
通过建立骨肌系统的数学模型和进行仿真，我们可以更好地理解和分析骨肌系统的力学行为，为骨肌系统相关疾病的诊断和治疗提供重要依据。
在骨肌系统的生物力学建模与仿真中，还存在一些挑战和问题需要解决。
首先，骨肌系统的结构和力学性质具有很大的个体差异性，因此建立通用的模型是非常困难的。
其次，骨肌系统的力学行为受到多种因素的影响，包括肌肉的激活和疲劳、关节的稳定性和活动范围等，这些因素的复杂性增加了建模和仿真的难度。
如何在3Dmax中制作真实的人物肌肉动画
如何在3Dmax中制作真实的人物肌肉动画3Dmax是一款强大的三维建模和动画软件，被广泛用于制作电影、游戏和广告等领域。
在这个软件中，我们可以通过模型建立和动画制作来创造逼真的人物。
本文将介绍如何利用3Dmax来制作真实的人物肌肉动画。
1. 准备工作在开始制作人物肌肉动画之前，我们需要准备一些必要的资源。
首先，我们需要一个完整的人物模型，包括骨骼和皮肤等。
其次，我们需要收集一些关于人体肌肉的参考资料，以便更好地模拟和动画化肌肉的移动和变形。
2. 创建骨骼系统在3Dmax中，我们可以通过添加骨骼来构建人物的骨骼系统。
首先，我们需要在人物模型上选择适当的位置并创建骨骼。
然后，将这些骨骼连接起来，以形成一个完整的骨骼链。
这些骨骼将用作控制人物姿态和动作的基础。
3. 为肌肉创建骨骼人体肌肉是由骨骼控制并围绕骨骼移动的。
为了在3Dmax中模拟人体肌肉的运动，我们需要为每个肌肉创建一个骨骼。
这些肌肉骨骼将连接到人物模型的骨骼系统上。
4. 设置骨骼的约束和控制器为了更好地控制和调整肌肉的移动和变形，我们可以为肌肉骨骼设置一些约束和控制器。
例如，我们可以使用反向动力学（IK）约束来模拟肌肉的拉动效果，使其更贴近真实的人体运动。
同时，我们还可以为每个肌肉骨骼添加控制器，方便我们在动画过程中对肌肉进行调整。
5. 创建肌肉网格为了更真实地模拟人体肌肉的形状和变形，我们需要在人物模型上创建肌肉网格。
肌肉网格是一个辅助网格，用于模拟真实人体的肌肉形状和体积。
通过对肌肉网格进行调整和变形，我们可以使肌肉更贴近真实的形态并产生更自然的动画效果。
6. 设置肌肉的动画约束和变形在制作肌肉动画时，一个重要的步骤是设置肌肉的动画约束和变形。
通过添加约束和控制器，我们可以模拟肌肉的收缩、拉伸和变形等动作。
这些动画约束和变形将与骨骼系统的动画相结合，以实现肌肉在人体运动中的真实表现。
7. 运用物理效果为了使肌肉动画更真实，我们还可以运用物理效果来模拟肌肉的物理行为。
人体肌肉生物力学仿真研究
人体肌肉生物力学仿真研究第一章引言人体运动是指人体肌肉和骨骼系统的协同运动，是人类日常生活和运动竞技活动中的重要组成部分。
随着计算机技术、仿真技术和运动分析技术的发展，人体肌肉生物力学仿真研究已成为一种重要的研究手段。
本文将从人体肌肉生物力学仿真的概念、方法、应用及未来发展等方面进行综述。
第二章人体肌肉生物力学仿真概念人体肌肉生物力学仿真是一种基于计算机虚拟现实技术的仿真研究方法，用于模拟人体肌肉骨骼系统在不同运动状态下的力学特性和生物力学反应。
人体肌肉生物力学仿真建立在人体解剖学、生物力学和计算机科学的基础上，结合了力学仿真、结构动力学、生物力学、运动分析等学科，利用计算机技术模拟出人体肌肉骨骼系统在不同运动状态下的力学性质和运动方式，并对其进行分析和优化。
第三章人体肌肉生物力学仿真方法人体肌肉生物力学仿真的方法包括肌肉建模、动力学分析、仿真运动学分析等。
1. 肌肉建模人体肌肉是将运动信号转化为力的主要器官，肌肉建模是人体肌肉生物力学仿真的基础，其目的是以力学模型的形式表达人体肌肉的生物力学特性。
肌肉力学模型可分为线性模型、非线性模型和多段模型。
线性模型主要包括肌肉-骨骼动力学模型和Hill型肌肉模型。
非线性模型主要包括Hill类型元件模型、随机弹性元素模型、斜筋二带模型等。
多段肌肉模型则结合了不同类型的肌肉模型的优点，提高了模型的精度和可靠性。
2. 动力学分析动力学分析是对人体肌肉骨骼系统力学特性的分析和测定。
其基本原理是利用动力学定理和运动学原理，根据所给的运动方式和肌肉力学模型，推导出人体肌肉骨骼系统的运动学参数、动态参数和力学参数等。
动力学分析主要包括动力学模型的建立、运动学参数的测定、动力学参数的计算、肌肉力学特性的仿真分析等。
3. 仿真运动学分析运动学分析是研究人体运动状态的变化规律和运动先后关系的学科。
仿真运动学分析是在计算机虚拟场景中对运动状态进行模拟和分析的过程。
仿真运动学分析主要包括模型建立与优化、动态仿真、运动分析与评价等。
基于肌肉的人体运动仿真研究
ｅ ｔ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ａ ｎ ａ ｔ ｏ ｍｙ ；ｔ ｈ ｅ ｎ，ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ａ ｔ ａ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｃ ｈ ｔ ｈ ｅ ｍｕ ｓ ｃ ｕ ｌ ｏ ｓ ｋ ｅ ｌ ｅ ｔ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ； ｎ ｅ ｘ ｔ ，ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｋ ｉ —
ｉ ｎ ｇ ， ２ ０ １ ７ ， ４ １ （ ２ ） ： ９ ８ － １ ０ ３ ．
中图分类号 ： Ｔ Ｎ ９ １ ９ ． ３
文献标 志码 ： Ａ
Ｄ ＯＩ ： １ ０ ． ￣ ６ ２ ８ ０ ／ ｊ ． ｖ ｉ ｄ ｅ ｏ ｅ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ２ ． ０ ２ ０
基 于 肌 肉 的人 体运 动 仿 真 研 究
关键词 ：肌 肉； 骨骼肌 肉模 型； 运动捕获 ； 多刚体运 动学
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｖ ｉ ｒ ｔ ｕ ａ ｌ ｈ ｕ ｍａ ｎ ｍｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎｔ ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｍｕ ｓ ｃ ｌ ｅ
ｒ ｅ ａ ｌ ，ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ，ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｍｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ．
马文超 ， 侯 进， 曹宁哲
６ １ １ ７ ５ ６） （ 西 南交 通 大 学 信 息 科 学 与技 术 学 院 ， 四川 成都
一种基于人体骨骼模型的人员动作实时仿真方法[发明专利]
![一种基于人体骨骼模型的人员动作实时仿真方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/b453fec59f3143323968011ca300a6c30c22f107.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011441660.5(22)申请日 2020.12.11(71)申请人 北方信息控制研究院集团有限公司地址 211106 江苏省南京市江宁区将军大道528号(72)发明人 魏俊峰 侯磊 崔梦莹 贾佳 罗飞 张同印 武睿 蒋雪霏 王越 孙祥 伏超 虎灵子 夏乾桐 (74)专利代理机构 南京理工大学专利中心32203代理人 汪清(51)Int.Cl.G06T 13/40(2011.01)G06T 17/00(2006.01)(54)发明名称一种基于人体骨骼模型的人员动作实时仿真方法(57)摘要本发明提出了一种基于人体骨骼模型的人员动作实时仿真方法，主要分为四步：基于人体骨骼模型构建初始变换矩阵、运动数据转换、基于人员动作数据构建实时变换矩阵和人员动作实时仿真。
其中，基于人体骨骼模型构建初始变换矩阵又分为三维人体骨骼模型构建和初始变换矩阵构建；运动数据转换又分为矩阵转四元素和坐标系转换；基于人员动作数据构建实时变换矩阵又分为绝对旋转量计算、绝对位移量计算和实时变换矩阵构建；动作实时仿真则是基于构建的初始变换矩阵和实时变换矩阵，利用三维仿真引擎的计算能力，每帧计算构建的人体模型在三维空间的位置和姿态。
该方法能够提高三维场景同步仿真的准确性和实时性。
权利要求书2页 说明书7页 附图5页CN 112634415 A 2021.04.09C N 112634415A1.一种基于人体骨骼模型的人员动作实时仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、基于人体骨骼模型构建初始变换矩阵：首先以盆骨为坐标原点，以人体骨骼模型面部朝向为Z轴正方向构建的坐标系，定义三维人体骨骼模型各关节相对其父节点的位置偏移量，构建用于仿真人员动作的三维骨骼模型；然后构建基于人体骨骼模型的初始变换矩阵；步骤2、运动数据转换：分为矩阵转四元素和坐标系转换，即将动作捕捉设备采集的运动数据统一转换成四元数进行运算，以及将动作捕捉设备采集到的运动数据进行坐标转换和三维引擎坐标系统相同；步骤3、基于人员动作数据构建实时变换矩阵：包括子节点的绝对旋转量计算，每帧各关节位移向量计算和实时变换矩阵构建；步骤4、人员动作实时仿真：由基于骨骼模型构建的初始变换矩阵和基于运动数据构建的实时变换矩阵得到骨骼相对初始位置的变化矩阵，三维仿真引擎根据构建的三维人体模型和骨骼相对初始位置的变换矩阵计算每帧各关节相对初始位置的变换矩阵直至最后一帧结束，即可实现人员动作的实时仿真。
人体肌肉骨骼系统动力学模型的建立与仿真
人体肌肉骨骼系统动力学模型的建立与仿真人体肌肉骨骼系统是由骨骼、肌肉、关节等组成的复杂系统。
这个系统中的各个部分相互作用，为人体提供动力学支撑，使得人类能够完成各种动作。
为了更好地理解人体肌肉骨骼系统的运动学特性，科学家们利用计算机技术建立了人体肌肉骨骼系统动力学模型，用来模拟人体运动并进行仿真。
人体肌肉骨骼系统动力学模型是一个由数学公式组成的模型，它描述了人体在运动过程中各个关节上的力和加速度。
其模型精度是通过运用公式、数学模型和计算机仿真软件进行计算、调整，以达到和实际运动类似的效果。
建立人体肌肉骨骼系统动力学模型的基础是对人体解剖学、生理学和运动学的深入研究。
这种模型不仅需要合理建立各个部分的结构和性质，还要对运动学、动力学、张力反应、肌肉力量等方面进行综合考虑。
由此可见，建立人体肌肉骨骼系统动力学模型是一个需要科学家倾注大量时间和精力的工作。
首先，研究者需要精确地确定各个部分的结构和特征。
这个过程需要对人体骨骼、肌肉、韧带等结构进行详细的解剖学分析和研究。
其次，研究者需要进行动力学研究，这包括对关节运动的规律性和速度、加速度、转移等动力学属性的分析。
同时，需要在肌肉骨骼系统动力学模型中考虑肌肉张力、肌肉力量、反向运动等因素。
最后，人体肌肉骨骼系统动力学模型中还需要加入神经和神经肌肉反应的因素。
研究者需要在模型中考虑神经系统如何控制肌肉运动及其相应反应。
为了获得实验数据，科学家们运用电生理技术、电流和压力传感器等工具在体内直接测量力、加速度和拐角等参数，再通过信号放大系统而得到数据。
通过这种方式得到的数据是极其精细的，但是它们也很难在实际运动中应用，因此需要借助模型来解决实际运动过程中的各种问题。
人体肌肉骨骼系统动力学模型的最终目标是通过模拟人体运动，解决与人体运动有关的各种问题。
比如通过这种模型，我们可以了解人体骨骼和肌肉在不同运动条件下的受力情况，以及如何避免或减缓特定的运动损伤。
此外，肌肉骨骼系统的模拟也可以为运动训练和康复计划提供指导，使得人体运动的效率和质量都有所提高。
人体骨肌系统的整体生物力学建模与仿真分析研究中国力学虚拟人系统集成方法与实现
人体骨肌系统的整体生物力学建模与仿真分析研究中国力学虚拟人系统集成方法与实现一、本文概述Overview of this article随着生物医学工程、计算机仿真技术及力学研究的不断深入，人体骨肌系统的生物力学建模与仿真分析在医疗、康复、体育训练及人体工程学等领域的应用越来越广泛。
其中，中国力学虚拟人系统作为一种集成多源数据、高精度人体模型与仿真技术的创新平台，为深入研究和理解人体骨肌系统的生物力学特性提供了强大的工具。
本文旨在探讨中国力学虚拟人系统集成方法与实现，通过对人体骨肌系统的整体生物力学建模与仿真分析，为相关领域的研究与实践提供理论支持和技术指导。
With the continuous deepening of biomedical engineering, computer simulation technology, and mechanical research, the biomechanical modeling and simulation analysis of the human skeletal muscle system are increasingly widely used in fields such as medicine, rehabilitation, sports training, and ergonomics. Among them, the Chinese Mechanical Virtual HumanSystem, as an innovative platform that integrates multi-source data, high-precision human models and simulation technology, provides a powerful tool for in-depth research and understanding of the biomechanical characteristics of the human skeletal muscle system. This article aims to explore the integration method and implementation of Chinese mechanical virtual human system, and provide theoretical support and technical guidance for research and practice in related fields through the overall biomechanical modeling and simulation analysis of the human skeletal muscle system.本文首先介绍了人体骨肌系统生物力学建模的基本原理和方法，包括骨骼结构、肌肉力学特性及关节运动学等方面的建模技术。
人体肌肉骨骼模型的建立及仿真分析
人体肌肉骨骼模型的建立及仿真分析在医学、运动科学、生物力学等领域中，通常需要研究人体肌肉骨骼系统的力学特性。
为了更好地模拟和理解这个系统的力学行为，人体肌肉骨骼模型的建立和仿真分析变得越来越重要。
本文将介绍以生物力学为基础的人体肌肉骨骼模型的建立和仿真分析的基本方法和应用。
1. 建立人体肌肉骨骼模型人体肌肉骨骼模型最重要的部分是骨骼系统。
采用医学图像学技术，可获得真实的三维骨骼模型。
骨骼系统的建立中，需要对骨骼建模和配准、关节建模和虚拟肌肉建立等工作。
在建立肌肉系统的模型时，可以根据肌肉解剖学知识和生理学参数来选择最适合的肌肉坐标系和肌肉的力学参数。
2. 基于生物力学的肌肉模型生物力学是一门研究生物系统力学特性的交叉学科。
在肌肉建模上，通常采用的是基于生物力学的肌肉模型。
生物力学模型的基本假设是，肌肉是由一系列的肌肉纤维组成，并在各自的肌肉纤维上发生收缩。
生物力学肌肉模型还包括肌腱弹性和关节功能的描述。
3. 肌肉仿真分析对人体肌肉骨骼系统进行仿真分析是理解其生物力学行为和研究其动力学特性的关键。
在仿真分析中，可以利用三维骨骼和肌肉模型来模拟人体的各种姿势和运动。
通过采用动力学计算方法，可以获得人体肌肉骨骼系统的力学和动力学参数，并进一步分析和评估其生物力学性能。
4. 应用人体肌肉骨骼模型的建立和仿真分析已得到广泛应用。
在医学中，该技术被用于手术前的预测和评估、假肢的设计与优化等；在运动科学中，被用于运动员训练和竞技表现的分析、运动损伤的预防以及康复等；在人工智能技术中，还可以应用于虚拟现实的建模和仿真等领域。
结语总之，人体肌肉骨骼模型的建立和仿真分析在生物力学、医学、运动科学和人工智能等领域中都有广泛的应用价值。
通过这种技术的使用，我们可以更好地理解人体力学行为、优化相关器材的设计及改进、预防运动损伤以及促进康复等方面作出卓越的贡献。
基于骨骼数据的三维人体行走姿态模拟
基于骨骼数据的三维人体行走姿态模拟作者：李锦童立靖英祥杨金秋来源：《数字技术与应用》2017年第10期摘要：人体运动的仿真模拟是虚拟现实、增强现实和混合现实等领域的重要研究内容。
本文通过Kinect设备扫描得到人体运动骨骼数据，根据骨骼矢量变化计算三维虚拟人体的骨骼的旋转角度，利用骨骼皮肤绑定技术实现人体的动态模型，并使用定时器控制三维人体模型的动态刷新，从而完成真实人体行走姿态的模拟。
实验表明通过Kinect采集得到的人体运动数据可以实时驱动三维人体模型，完成人体行走姿态的模拟。
关键词：三维动态模型；动作捕捉；人体姿态模拟；人体动画中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）10-0058-041 引言随着三维扫描技术和计算机图形学的发展以及计算机性能的提高，三维模型已经成为继声音、图像和视频之后的第四种多媒体数据类型。
对三维模型的使用与研究在娱乐、医学、机械工程、计算机仿真和虚拟现实、工业应用等领域得到了认可，日益发达的互联网技术为人们对三维模型的共享和处理提供了条件，这些都导致对三维模型应用需求的增长。
人体运动姿态模拟是动作捕捉技术的一个重要方向，用Kinect设备获取数据应用到人体运动姿态研究中效率高、操作简便，在各领域得到广泛应用。
针对现有的动作捕获技术，许多的国内外学者对人体的运动姿态模拟做了大量的研究。
HUANG，TEJERA等人通过4D性能捕获数据为人物的动画提出了一个新颖的混合表示方法，并结合了骨骼控制与表面运动图[1]，该方法支持生成满足用户指定约束的新表面序列关键帧或目标骨骼运动。
Gao，Lai等人提出一个新的旋转不变量变形表示和一种新颖的重建算法来同时重建姿态和局部旋转[2]，该方法提供有约束的变形，并为网格变形和非刚性物体的变形提出一种新的数据驱动方法。
赵正旭等人提出一种通过采用贝塞尔曲线和数值数据编辑人体运动姿态的模拟方法[3]，运用 OpenGL 构建虚拟人体模型，利用动作捕捉技术设计人体运动姿态的模拟程序。
生物医学工程中的肌肉骨骼仿生学
生物医学工程中的肌肉骨骼仿生学肌肉骨骼仿生学是一个研究人类运动机能的领域，旨在将仿生学原理应用于设计和制造人类肌肉骨骼系统。
这一概念出现于20世纪60年代初期，当时仿生学开始应用于工程学和材料科学。
肌肉骨骼系统由有机和无机物质组成，其中有机物质包括肌肉、骨骼和软道组织，无机物质则是钙和其他矿物质。
肌肉骨骼仿生学的目的是将这些元素与电子、感知器和控制器等组件相结合，以创造类似于人类肢体的机器。
这种机器能够反应通常由肌肉骨骼系统执行的动作，例如走路、举重和运动。
肌肉骨骼仿生学技术的应用范围十分广泛，涵盖了从协助行动不便者的康复系统到解决高强度工人受伤问题的自动化工具等不同领域。
系统组件一个肌肉骨骼系统由两个基本组件组成: 肌肉和骨骼。
在仿生学模型中，这两者都被模拟为松弛或牵张的弹性物体。
骨骼使用刚体约束模型实现，使其在关节处弯曲和扭转，肌肉则会向不同方向施加力。
肌肉通常使用传统肌肉模型表示，其中肌肉由多个肌肉纤维组成。
每个纤维都是由具有不同长度、速度和力学响应特征的肌原纤维组成。
这样，仿生学者可以通过控制肌原纤维的长度和张力来生成所需的动作。
电气电子技术除了肌肉和骨骼，电子和电气技术也是肌肉骨骼仿生学中的基本组成部分。
这些技术专门用于测量和传输运动、力和位置信息。
这也是激活肌肉和骨骼之间的交互作用的关键。
控制器和感知器作为仿生系统的一部分，主要承担测量肌肉和骨骼位置、速度和加速度等运动信息的任务。
控制器通过计算传感器数据并确定下一步行动步骤来响应这些信息，这样就可以协调肌肉、骨骼和电子设备之间的动作。
人工智能和数据处理近年来，人工智能技术的运用推动了仿生学产业市场的扩张。
比如，一些公司正在使用人工智能技术开发能够自行学习、适应性较强的仿生机器，以更准确地模拟人体肌肉和骨骼的运动。
数据处理也是实现更精确仿生学仿真的关键。
数据处理技术可以提取和分析肌肉骨骼系统的运动数据，从而实现美观、平滑的动作，以及更准确的力量和位置控制。
骨肌系统生物力学建模与仿真
骨肌系统生物力学建模与仿真骨肌系统生物力学建模与仿真是一种用于研究和分析人体骨骼和肌肉运动的方法。
通过建立数学模型和进行计算仿真，可以帮助我们深入理解人体运动的基本原理，为医学、运动训练和生物力学研究提供有力支持。
在骨肌系统生物力学建模中，首先需要对骨骼结构进行建模。
骨骼系统由骨头、关节和韧带组成，其形态和结构对于人体运动至关重要。
通过采集人体运动数据和进行成像技术，我们可以获得关节角度、骨骼长度以及韧带位置等信息，从而建立起骨骼系统的模型。
接下来，需要对肌肉进行建模。
肌肉是人体运动的发动机，通过收缩产生力量推动骨骼运动。
在建模过程中，需要考虑肌肉的长度、质量、弹性等因素，以及肌肉与骨骼之间的力学关系。
通过实验测量和解剖学知识，我们可以获得肌肉的生理参数，并将其应用于肌肉模型中。
骨肌系统生物力学建模的关键在于建立运动学和动力学模型。
运动学模型描述了人体运动的几何特征和运动学参数，如位置、速度和加速度等。
动力学模型则描述了人体运动的力学特性，如力、力矩和动力学参数等。
通过将运动学和动力学模型相结合，可以模拟和分析人体运动过程中的力学变化。
为了更好地理解和分析骨肌系统的运动特性，仿真技术被广泛应用于生物力学研究中。
通过将建立的模型输入计算机程序，可以进行运动仿真，模拟人体在不同条件下的运动过程。
仿真结果可以提供详细的运动数据和力学参数，帮助我们了解人体运动的机理和规律。
骨肌系统生物力学建模与仿真在医学和运动训练中具有重要意义。
通过建立人体模型和仿真分析，可以为临床诊断和治疗提供有力支持。
例如，在骨折治疗中，可以通过建立骨骼模型和仿真分析，评估不同治疗方案的效果，并优化手术设计。
在运动训练中，可以通过仿真模拟不同运动技术和训练方法的效果，指导运动员的训练和提高。
骨肌系统生物力学建模与仿真是一种有效的方法，用于研究和分析人体骨骼和肌肉运动。
通过建立数学模型和进行计算仿真，可以深入理解人体运动的基本原理，为医学、运动训练和生物力学研究提供有力支持。
基于人体肌肉动力学仿真的健身训练辅助系统研究
基于人体肌肉动力学仿真的健身训练辅助系统研究在当前健身热潮的推动下，健身行业逐渐成为了人们生活中不可或缺的一部分。
然而，对于很多新手来说，由于缺乏专业的指导和理论知识，健身训练常常会出现错误的姿势和方法，导致较为严重的运动损伤。
同时，现代人们的生活和工作方式也让许多人在实际的训练过程中遇到了很多困难和挑战。
因此，研究如何基于人体肌肉动力学仿真开发出健身训练辅助系统，在提升健身效果的同时保证运动健康安全，成为了一项具有重要意义的研究。
一、人体肌肉动力学的研究意义人体肌肉动力学研究的重要意义在于可以帮助人们了解人体骨骼肌肉系统各个组成部分的构造与作用，并设计出更加科学的健身训练方案。
肌肉力学是人类运动控制和机械行为研究的重要领域，在科研和工程应用中都有着广泛的应用前景。
而将肌肉力学与健身训练相结合，则可以使得健身训练更加科学化和针对性，为用户提供更为精准和安全的锻炼。
二、基于人体肌肉动力学的仿真模型的建立为了实现基于人体肌肉动力学的健身训练辅助系统，首先需要建立相应的人体肌肉动力学仿真模型。
在这个模型中，需要包含人体骨骼肌肉系统的各个组成部分，并对其进行建模，同时还需考虑人体骨骼肌肉系统的运动特性和反应能力，以此模拟出具有远真实性的人体肌肉动力学模型。
三、基于人体肌肉动力学的姿势和动作分析在完成人体肌肉动力学仿真模型的建立之后，可以利用这个模型对不同的姿势和动作进行分析。
例如，在进行深蹲训练时，可以对身体的姿势、肌肉的负荷分布、膝关节受力情况等进行详细的分析，并得出具体的优化建议。
这样的分析既可以帮助使用者更好地掌握正确的运动方法，也可以帮助器械设计师更好地设计适合更多人体型的运动器材。
四、基于人体肌肉动力学的运动损伤预防基于人体肌肉动力学的仿真分析还可以用于运动损伤的预防。
通过分析不同姿势和动作下的肌肉负荷和关节承受力，可以更好地了解不同的姿势和动作对身体的影响，找到可能造成运动损伤的因素。
这样一来，运动训练就可以更安全和可控，从而更好地保障器械使用者的身体健康。
基于肌肉骨骼系统的人体动作仿真
b 6
i1 i
vm vmmaxl0m
i
vm 0 vmmaxl0m 1
1
vm5 a2 1.31
Fm
a4 0.09 b0 1.03 b1 1.65
F0m
b2 4.53 b3 6.44 b4 4.83
由逆动力学求关节力矩
在计算时对不同的动作的稳定性进行评价
利用ZMP（zero moment point）评价动作稳定性
1. 当人体由单腿支撑时，ZMP在支撑腿上 2. 当人体双腿支撑时，ZMP在一个支撑区域内
s(θ,
θ ,
θ)
0 τ
ZMP在支撑区域时 ZMP在支撑区域外时
+ 施加于支撑腿上的最小外部力矩以获得某一
b5 1.81 b6 0.27
肌肉的最大收缩速度 vmmax是10m/s 神经刺激-肌肉激活 一阶微分方程
.
a
u2
ua
u
a
rise
fall
.
a
肌肉激活程度0-1，受中枢神经控制（CNS)
vm vmmaxl0m
肌肉主动收缩力
FCE f (u,lm,vm)
(1)
u
神经刺激， 表示从神经系统发出的刺激
i
l m l0m
a0 63.4 a1 220.9 a2 287.5 a3 166.7 a4 36.5
相对肌肉收缩力---相对肌肉收缩速度关系
f Fv
(lm l0m
)
a0
b0
4 i 1
ai
骨骼肌肉建模及其仿真_张莹
现代生物医学进展Progress in Modern Biomedicine2009Vol.9No.10骨骼肌肉建模及其仿真张莹△李志俊（武汉理工大学自动化学院湖北武汉430070）摘要：该文首先对骨骼肌肉模型进行探讨，并且在Zajac 肌肉力学模型下，通过仿真软件"Virtual Muscle 3.1.5"对骨骼肌进行仿真。
根据不同的肌肉性状和肌肉骨骼运动状态进行了不同的仿真实验，并且得到很好的模拟结果。
本实验主要针对老年人和受伤肌肉，研究其特性与正常肌肉的异同，通过仿真实验的最终结果，分析得出了肌肉性状变化，特别是长肱二头肌，会对肌肉施力功能产生很大的影响。
关键词：肌肉建模；虚拟肌肉；仿真中图分类号：R318.01，Q811，Q819文献标识码：B 文章编号：1673-6273（2009）10-1865-04Skelecton Muscle Model Building and SimulationZHANG Ying △,LI Zhi-jun（School of Automation,Wuhan University of Technology,Wuhan,430070,China ）ABSTRACT:With the great advancement of technology,it is natural that virtual human simulations are getting more frequently used."Virtual Muscle 3.1.5"is created to model human muscle based on the database of other animals with some alteration.The first part of the paper focused on understanding of biological real muscles and the program.With a certain level of the fundamental knowledge,in-vestigation on muscle force was carried out based on different muscle properties.Injured and aging muscle were focused here.Key words:Muscle Model Building;Virtualmuscle;SimulationChinese Library Classification:R318.01,Q811,Q819Document code:B Article ID:1673-6273（2009）10-1865-04作者简介：张莹（1984-），女，硕士研究生，主要研究方向：模式识别与智能系统李志俊，男，博士，副教授，主要研究方向：模式识别与智能系统△通讯作者：张莹，E-mail:xinve@ （收稿日期：2008-11-07接受日期：2008-12-25）前言数字虚拟人一直是当今的研究热点，肌肉建模是其中比较关键的问题。
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lm
肌肉长度
vm
肌肉收缩速度
vm
lm
l
m prev
t
F CE f (u,l m, vm ) aF0m fFL (l m ) fFv (vm )
(2)
a
f f
F0m FL(l Fv (l
m) m)
肌肉被激活的程度 肌肉最大等长收缩张力 相对肌肉收缩力---相对长度关系 相对肌肉收缩力---相对肌肉收缩速度关系
b5 1.81 b6 0.27
肌肉的最大收缩速度 vmmax是10m/s 神经刺激-肌肉激活 一阶微分方程
.
a
u2
ua
u
a
rise
fall
.
a
肌肉激活程度0-1，受中枢神经控制（CNS)
vm vmmaxl0m
肌肉主动收缩力
FCE f (u,lm,vm)
(1)
u
神经刺激， 表示从神经系统发出的刺激
a0 0.0038 a1 2.498 a2 1482.59
a3 19795.11 b0 0.39 b1 41.74
肌肉收缩力-长度特性曲线
f
Fl
(
lm l0m
)
a0 0
6 i 1
ai
lm l0m
else
i
0.5l0m l m 1.5l0m
a0
3 i 1
ai
l t lst lsTt
i
0
l t lst lsT
0.033
f FT
(l
t
lst
lst
)
b0
b1
lt
lst
lst
0.033
l t lst lst
0.092
0
l t lst lst
0.092
b 6
i1 i
vm vmmaxl0m
i
vm 0 vmmaxl0m 1
1
vm vmmaxl0m
a0 0.99 a1 1.85 a2 1.31
Fm
a4 0.09 b0 1.03 b1 1.65
F0m
b2 4.53 b3 6.44 b4 4.83
l MT l M cos lT
CE ： 肌纤维 SEE：肌腱 PEE：肌纤维束的连接组织 ：羽状角，肌肉和肌腱之间的角度随着 肌纤维的长度而改变
(t )
sin
1
l0M
sin lM
0
串联肌腱力和肌腱应变的关系 只有当肌腱长度大于松弛长度时，串联的被动 元件才会动作
总肌肉肌腱力
FT (FCE F PE) cos
(3)
l t lst lst
(l mt
l m cos ) lst
lst
(4)
F T F0m fFT (l mt , l m )
(5)
F PE F0m fPE (l m )
(6)
由(2)-(6)可以得到
lst 肌肉松弛长度
3. 共43块肌肉 从Veeger， Van Der Helm的研究中获得上半身，肩膀和上 肢的数据，
1. 躯干，胸骨锁骨关节假定为三个自由度，锁骨关节为2个 自由度
2. 每一上肢有20块肌肉 人体系统共有34个自由度 不同段的重量和惯量
人体上半部和下半部的骨骼 系统模型
人体骨骼肌肉系统模型
a0 48.9 a3 1026.3 a6 46.9
a1 302.5 a2 766.3 a4 761.1 a5 295.4
CE 在自然长度时收缩力最大
平行弹性收缩力-长度特性曲线
f
PE
(
lm l0m
)
a0 0
4 i 1
ai
lm l0m
else
基于肌肉骨骼系统的人体动作仿真 ---基于生理特征的人体动作转换
Komura, T., Shinagawa, Y., Ebisuzaki, T. RIKEN Symposium 2000
滑雪运动生物力学仿真分析 大连理工大学博士论文
人体的建模和仿真已成为人类工程学，计算机图形 学，人工生命和生物力学研究中最活跃的课题之一
研究内容
基于时空约束法，将骨骼肌肉模型和逆动力学模型相结合， 对人体在疲劳状态下的踢腿和步行动作进行了仿真。
肌肉骨骼模型
从Delp的研究中获得下肢部分的肌肉骨骼系统数据。数据 包括：
1. 肌肉附着的位置，肌腱长度和关节角度范围 2. 下肢的关节角度假定是三个自由度（髋关节）和一个自
由度（膝盖，脚踝）
肌肉的疲劳
当肌肉施加一个较大的力时，肌肉内的pH值会下降， 从而引起压缩元件所产生的最大力下降，这称为疲劳 阶段，而当这一肌肉不作用时，它的pH水平又会增加， 所施加的力也会增加
f
N pH
(
pH
)
f pH ( pH(t)) f pH ( pH(t0 ))
F CE
f
(u, l
m
,
vm
)
f
N pH
i
l m l0m
a0 63.4 a1 220.9 a2 287.5 a3 166.7 a4 36.5
相对肌肉收缩力---相对肌肉收缩速度关系
f Fv
(lm l0m
)
a0
b0
4 i 1
ai
vm vmmaxl0m
i
件所输出的力
疲劳时的pH水平 恢复期的pH水平 输出的力与pH的关系
归一化公式
加入疲劳影响时压缩元
人体运动的逆动力学求解
将人体的运动轨迹作为已知，运用商用软件，由角 度，角速度以及角加速度计算出关节力矩。
i cij B j 由人体轨迹获得关节角度 j
fFT (l mt ,l m ) {afFl (l m ) fFv (l m ) fPE (l m )}cos 0
(7)
当神经激活程度为已知时，（7）式是一个关于肌肉长度 l m
的关系式，可以通过迭代法使式（7）收敛，从而得到肌肉长
度，进而得到总肌肉肌腱力 F T
总肌肉肌腱力的范围
F min (a 0) FT F max (a 1)
人体动作仿真的两种方法： 运动学方法：由末端器官的位置推算出其它的关 节角度（逆运动学）。 •优点：简单，易实现，动作变化较小时仿真较真实。 •缺点：仿真动作不易随实际动作变化，容易失真 动力学方法：在编辑动作时，考虑动力学因素 •优点：由于遵循物理学法则，仿真动作要比运动学 方法真实 •缺点：由于未考虑人体内部结构，易出现生理学不 真实。例如：很难对人体在疲劳状态下的动作进行 模拟