基于ADAMS人体动力学的建模与仿真研究

ｈｅａＩｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ． Ａｔ ｆｉｒｓｔ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ／ｆｈｎｃｔｉｏｎ／ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｓｋｅｌｅｔｏｎ．ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｕｓｃｌｅｓ
ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｌｕｌｔｉ－ｂｏｄｙ ｄｙｎａｍｉｃｓ，
ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏⅡｓｕｂｊｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａｐｅｒｙ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａⅡｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｅａｓ ｓｕｃｈ ａｓ ａｅｒｏ ａｎｄ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｓ ｏｆ ｒｅａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｎｄ ｅｘｅｒｃｉｓｅ
本论文的主要研究成果如下： １．突破了以前研究者针对某种特定运动对人体进行建模的思想，本文所建 立的模型适用于绝大多数的非指定性的运动。 ２．提出了把人体前臂看成一块刚体研究的不合理性，确定把前臂分成两块 刚体研究的思想。 ３．在人体行走过程中，涉及到人体行走步态和人体平衡的控制，论文对人 体行走步态和支撑相位进行了分析，运用ＳＴＥＰ数学函数设计了确定行走轨迹的 人体关节运动参数，并结合模糊控制理论研究了调节人体关节角度保持身体平衡 的模糊规则器。 ４．针对动力学逆问题，成功地对人体行走进行动力仿真，并用实际人体行 走测量的数据来验证仿真计算的数据，最终确认了整个建模思路的正确性，符合 解剖学和机械多体动力学理论。
ｆｏｒｅ锄ａｓ ２．Ｉｔ ｉｓ ｂｒｏｕｇｈｔ ｆｏｎｖａｒｄ ｔｈａｔ ｒｅｇａｒｄｉｎｇ
ａ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ｉｓ ｒｅａｓｏｎｌｅｓｓ．Ｔｈｅ
ｔｈｉｎｋｉｎｇ ｏｆ ｄｉｖｉｄｉｎｇ ｆｏｒｅａｎｎ ｉｎｔｏ ｔ、Ｖｏ ｒｉｇｉｄ·ｂｏｄｉｅｓ ｉｓ ａｍｍｅｄ．
３．ＷａＩｋｉｎｇ ｐａｃｅ ａⅡｄ ｂａｌａｎｃｅ ｃｏｒＩ打ｏｌ ａｒｅ ｉｎＶｏｌＶｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｌｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｗａｌｋｉｎｇ ｐａｃｅ
ａｔｌｄ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｕｐ ｉｎ ＡＤＡＭＳ．Ａｔ １ａｓｔ ｔｈｅ ｗａｌｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ
源自文库
ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｒｅｃｏｒｄｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐ甜ｅｄ ｗｉｔｈ ｆａｃｔｕａｌ ｄａｔａ．
广东工业大学工学硕士学位论文
灵活性和自适应性，变成了刚性的机器人。因此，纯刚体模型并不能完全真实地 模拟人体运动。
神经一肌肉一骨骼系统综合模型，从系统的角度来说，人体运动系统是一个 非线性的复杂系统，各子系统间相互影响、相互作用。例如，肌肉、骨骼、韧带 在组成运动系统前的各个部分并不具有运动的性质，只有把它们按一定方式组合 起来，在神经系统的控制和调节下才成为具有力学行为的运动系统。因此，有的 学者在研究人体运动系统时提出了系统仿真的观点，在刚体模型的基础上增加肌 肉一神经系统的作用模型。典型代表人物是南非的力学家Ｈａｔ ｚ ｅ。２０世纪７０ 年代，他就利用一个２段５块肌肉３自由度的腿平面模型”１解决了踢脚动作 的动力学最优化问题。１ ９８１年他又发表了跳远研究的论文，建立了一个由１ ７ 段刚体４６块肌肉组成的４２个自由度的模型来模拟跳远动作…。Ｆｒａｎｋ Ｃ． Ａｎｄｅｒｓｏｎ等利用１ ０段、５４块肌肉、２３个自由度的模型”１研究人们垂直跳 到他们所能达到的最大高度时的肌肉协调模式，并在该模型基础上进一步研究了 人体的步行优化问题”。。随着神经生理学的发展，神经系统对运动系统的控制 也逐步被人们所认识，出现了一些神经控制模型。东京大学的Ｇｅｎｔａｒｏ Ｔａｇａ 利用神经韵律发生器模拟神经对步行节奏的控制，把肌肉、骨骼系统和神经系统 进行集成，建立了人体步行的综合模型，其中包括８段骨骼、２０块肌肉、７ 对韵律发生器等””“１，并且进一步提出了跨越障碍物的步行模型““，采用步距 的事先调整及施加特定的关节力矩的方法，人体运动模型可成功地越过路面障碍 物。有些学者则利用神经网络模拟中枢神经系统建立了两自由度的上肢运动综合 模型…。。Ｎａｏｍｉ ｃｈｉ Ｏｇｉ ｈａｒａ等提出了更符合人体心理学、解剖学的肌肉一骨 骼一神经系统的集成模型，考虑了中枢神经系统运动神经元的控制，并利用该模 型生成了与真实的人体步行非常吻合的人体步行模式““。因此，用这种方法研 究人体运动，更接近人体的真实运动，突出了人体内部运动规律，具有重大理论 价值。但是，人体运动系统是个非线性时变系统，对于它的控制机理一直是个富 有挑战性的问题。由于人们对人体神经系统的控制原理的认识还是有限的，真实 的神经系统结构和参数还不太清楚，肌肉力和力矩与神经刺激信号间的关系无法 直接测量，神经韵律发生器的理论模型只是从功能上对神经系统作用的理解。
Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｒｅ：
１． Ｔｈｅ ｔｈｉｎｋｉｎｇ ｏｆ ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ—ｍｏＶｅｍｅｎｔ—ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｉｓ ｂｒｏｋｅｎ
ｔｈｒｏｕｇｈ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｂｕｉｌｔ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｆｉｔ ｆｏｒ ｍｏｓｔ ｆｒｅｅ ｍｏＶｅｍｅⅡｔ．
在论文中，作者首先从人体解剖学的基础理论出发，详细深入的分析了人 体骨骼、关节以及肌的结构、功能和运动规律。然后结合机械多体动力学原理， 对人体的各个部分进行了适当的、合理的简化，运用机械动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ 建立了人体动力学模型。最后，论文主要针对动力学的逆问题，在ＡＤＡＭＳ软件 环境中，对人体行走的一个周期过程进行了仿真计算，测出了在行走中人体肩关 节、髋关节、膝关节和踝关节的扭矩，并把仿真数据与实际测量数据进行了对比 分析。
关键词：ＡＤＡＭｓ；人体；建模：仿真
』童三些奎兰三兰堡圭兰堡篁圣
Ａｂｓｔ ｒａｃｔ
Ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｔａｋｅｓ ａｉｍ ａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ“ｎｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｍｏｄｅｌ．Ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ
第一章绪论
到目前为止，还没有任何一个人体动力学模型可以真正鲁棒地从视频序列 中得到和恢复人体的运动信息和三维结构。因此，对人体动力学模型的研究还需 要投入更多的时间和人力进行研究。
１．２研究目的和意义
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，是仿人机构和双足机器人研究的基础理论学科之一，在研究仿人机构和仿人 机器人的研究过程中，国内外各研究机构都以人体为对象，对其进行建模，并从 各种步态入手，做了许多仿真实验，因此，对人体进行动力学分析是仿人机器人 的关键和基础，对它的研究的深入程度直接关系到仿人机器人设计的效果。并且 研究人体动力学的建模与仿真，获取有关运动、力学数据，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具有重要意义，而且人体动力学的建模与 仿真研究是虚拟现在发展的一个重要内容。因此在仿生学、体育、医学、工效学 等中，研究者普遍采用观察人肢体宏观运动来分析指导体育训练，进行人体康复 进程评定和消防等特殊工种的人机工效学研究。对人体运动物理现象的研究，已 从过去的直接观察，发展到运用计算机进行建模仿真和定量分析，对运动原理的 认识也发展到从人体生理学和力学的高度来理解。
广东工业大学 硕士学位论文 基于ADAMS人体动力学的建模与仿真研究 姓名：罗小美 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：袁清珂
20060501
摘要
摘要
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。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具有重要意义。
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建模方法之一。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 往要列出数十个甚至上百个方程。因此，计算推导浩繁而复杂，手工推导几乎不 可能，大多数问题均需借助于计算机求数值解和进行仿真。此外，由于人体本身 并不是完全的刚体，还有像肌肉等大量的软组织，若完全按刚体的特性来构建模 型则存在一定的误差，而且纯刚体模型中对肌肉的力学特性和神经系统对运动的 控制考虑得较少。如果完全忽略了肌肉一神经系统的作用，人体运动系统将缺乏
１．３主要研究内容和方法
１．３．１研究内容
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。
ａ工１ｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｐｈａｓｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ａｎｉｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏＶｅｍｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ＳＴＥＰ
ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ｆＩｍｃｔｉｏｎｓ，ａ１１ｄ ｆ№ｚｙ ｒｕｌｅ ｃｏｎｔａｉｌｌｅｒ ｉｓ ｃｏⅡｓｔｒｕｃｔｅｄ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ ａ１１９ｌｅ ｆｏｒ
ｔｈｉｎｋｉｎｇ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ａｃｃｏｒｄａｎｔ ｗｉｔｈ ａｎａｔｏｍｙ ａｔｌｄ ｍｕｌｔｉ－ｂｏｄｙ ｄｙｎａｍｉｃｓ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＡＤＡＭＳ；Ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ；Ｍｏｄｅｌｉｎｇ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
第一章绪论
第一章绪论
１．１国内外研究现状
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…。
尽管在过去的十多年时间内，人们对人体动力学模型的问题作了不少有益 的工作。许多学者针对不同的运动或动作建立了相应的多刚体模型，其中最简单 的可用单质点模拟人体运动。著名的Ｈａｎａｖａｎ模型将人体划分成１５个刚体 段，各段之间用球铰连接。还有一些复杂模型则用ｌ ７段刚体模拟。一般说来， 多刚体模型多用于对～些规则运动的研究，如步行、跑步、垂直跳、体操等体育 动作和某些规律性动作。波兰学者ｗｏｊ ｃｉｅｃｈ Ｂｌａｊ ｅｒａ等为了研究杂技演员在 蹦床上翻筋斗的动作过程，建立了一个９自由度的１ Ｏ刚体人体简化模型“。。 Ｘｉａｏｄｏｎｇ Ｚｈｏｕ等用一个１ ２自由度６刚体的模型来分析和模拟人步行时碰到 障碍物跌倒的过程“。，以寻找一种策略来减小跌倒时所造成的伤害。对于人机 工程中人的性能分析，美国德州科技大学工业工程系的Ｍ．￣１．Ａｙｏｕｂ则利用一个 抓举重物的５刚体仿真模型“１，评估和研究手工操作对人体的伤痛影响。还有 的学者将多刚体模型用于研究汽车碰撞过程中人体受到后部冲击的情况”１。
ｂｏｄｙ ｂａｌａｎｃｅ． ４．Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｌｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｃｏｍｐＩｅｔｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ｔｈｅ ｆａｃｔｕａｌ
ｄａｔａ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｗａｌｋｉｎｇ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｖｅｒｉｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄａｔａ．Ａｔ ｌａｓｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ