人体下肢基于动力学的运动仿真

英语论文翻译

学校：华北水利水电大学

学院：机械学院

专业：机械设计制造及其自动化

姓名：

学号：

指导老师：马子领、张太萍

人体下肢基于动力学的运动仿真

李进，程秋菊，梁红，郭卓维

中国哈尔滨，哈尔滨工程大学自动化学院

摘要–在这篇论文中首先基于人体解剖学和多体动力学，使用ADAMS建立了一个人体下肢简化模型。在下肢的建模过程中，下肢简化为股骨和胫骨由非常小的膝关节的膑骨接合。另一个假设是股骨和胫骨被模拟为圆柱形刚性体，因为它们的形状类似于圆柱体。然后，人体大腿的屈伸运动、向内或向外旋转运动和小腿的曲伸运动在这篇论文中进行了模拟。此外，屈伸运动涉及的肌肉以点- 点力的形式被添加到模型中。最后，人体下肢的几个一般性肌肉-骨骼运动均模拟为运动过程中每个关节的力和力矩原理，使用ADAMS的运动学和动力学分析功能进行研究。模拟的结果本文进行分析。

关键词 - ADAMS，肌肉模型，下肢，点 - 点力，运动仿真

一、引言

计算机仿真人体运动是研究人体运动的原理的有效手段，并且它成为与生物力学和计算机模拟结合的一项重要技术。它具有非常广泛和重要的应用[1];它也在机器人技术，人机交互，虚拟现实和其它相关领域中起重要作用。模拟和分析人体的研究和取得的相关数据对运动员的训练、伤亡的保护、事故分析和运动康复设备设计等是非常重要的。模拟仿真人体也是虚拟现实领域的一个重要部分[2]。因此，根据人体解剖学和多体动力学的知识，本文模拟了人体下肢的运动。

二、建立人体下肢的骨骼和肌肉模型的

A.人体的骨骼模型建立

人体下肢可视为人体运动时大腿、小腿和脚，并且它包括髋关节，膝关节和踝关节。在下肢建模的过程中，下肢被简化为股骨和胫骨由非常小的膝关节的膑骨接合[ 3]，且关节起到非常重要的作用。采用更严格的方法，髋视为研究人体运动过程中的旋转关节，膝关节可模拟为有一个自由度的旋转接头。骨盆在人下肢的动作中被视为相对固定。在下肢的建模过程中，另一个假设是股骨和胫骨被模拟为圆柱形刚性体，因为它们的形状类似于圆柱体。这些刚体的参数见表 1 [ 4 ] 。

回归方程为Y = B

0+ B

1

M + B

2

H，指定标准体重和身高（M =65千克，H =1.7

米）的回归方程，其值示于表2中。下肢模型如图.1所示。

B.肌肉模型

肌肉力学模型的研究中，它主要研究的分离中肌肉的长度和速度两参数。虽然研究结果能够反映肌肉的特性，但它在实际的应用有很大的不足。因此，简化且可以联合张力-长度和张力 - 速度模型的肌肉模型是在未来重新搜索必然趋势。这是本文引用齐朝辉教授提出的肌肉模型 [5]。

F = KS2＋C e－|v|＋F0(1)

其中，F为肌肉张力，沿着肌肉长轴和指向肌肉的中心，K是肌肉的张力-长度的系数，S是各种肌肉的长度，C是肌肉的张力-速度的系数，并在相同运动中的值

为人类的激励在人体运动的初始状态，不变; v是沿长轴方向的肌肉收缩速度; F

并且该参数取决于哪个人愿意实现的运动效果。

表1 质量和回归方程的数据

表2 下肢刚体模型参数

三、肌肉骨骼-模型的建立

A.大腿屈伸运动的肌肉-骨骼模型

这数据采用是由徐清泪，倪委盟和万年宇测得的臀部肌肉周围从开始到结束的点[6] 。屈伸运动相关的肌肉的起始和结束点的坐标如表3所示。

屈伸运动相关的肌肉有许多，为了便利研究，在不影响操作的效果和肌肉的作用前提下这些肌肉可以简化[ 5]。髋部的股直肌和张紧肌根据它们的坐标可视为一个肌肉群，以及大腿的半腱肌，半膜肌和二头肌视，因此，这两个肌肉的信

息这五个肌肉可代表原有的五个肌肉计算。的简化肌肉信息相关的点和长度显示在表4中，运动模型示于图2 。

表3 大腿屈伸相关肌肉的相对位置

表4 简化肌肉的点和长度信息

在屈曲运动的过程中，第1，第2和第3号起到积极的作用。在运动的过程中，主动肌肉有初始状态下，肌肉的力受收缩速度和肌肉的长度影响，但是被动肌肉的力是由它的长度在主动肌肉的作用下改变的。在伸出运动，主动肌肉是4和5号，且初始设置与屈回运动相一致。这些肌肉的初始状态是由被称为向上肌肉模型设定。

B.大腿内侧或外侧转动的肌肉-骨骼模型

这一运动的肌肉数据处理方式相同和屈伸运动一样。这一模型的平台如图3所示。

C.小腿的屈伸运动肌肉 - 骨骼模型

将这个运动涉及到肌肉组转化成在点 - 点的力的形式人体下肢的可视化模型，得到了腿的屈伸运动模型如图.4所示。

四、仿真结果

该曲伸运动可通过设置肌肉群的初始状态的大腿屈伸运动模型模拟，且力- 时间曲线和速度 - 时间曲线如图5和图6所示。

图.7与Hill的肌肉模型一致，本文采用的肌肉的模型根据生理学上一些初始激励。

在大腿的一个运动周期中，肌肉群的角加速度如图.8所示。

人类大腿的屈伸运动是一首先加速然后减速过程，当该肌肉的长度从最大长度改变为初始位置，它也是一个加速过程[8]。在人大腿屈伸运动过程，一个运动周期是通过肌肉群的主动变被动来实现的。摆动范围很大程度上取决于激励初始尺寸。

为了找到力量和速度之间的关系，本文通过利用ADAMS 合并图.5和图.6得到他们的曲线图.7 [ 7 ] 。

大腿的侧内或侧外旋转运动模拟结果如图.9所示。

从上面模拟数字，显然表明，内侧或外侧旋转运动的范围比伸屈运动小，且角速度更稳定了。仿真时间设置为一秒，且内侧或外侧旋转运动完成一个周期。基于该解剖学，大腿的旋转运动的角度为40°和80°之间，而在弯曲和伸展运动角度范围可以到达106°，这一结果与本文仿真结果相一致。腿屈伸运动模型模拟，以及得到的主动和被动的肌肉群力，主动肌肉的力曲线如图.10所示。

在这一运动过程，主动肌肉有一些初始激励，且整个系统运动从这一激励开始，然后这一激励力逐渐减小，这一过程由图.10明显可见。被动肌肉的长度在无初始力情况下被逐渐改变，然后由于长度影响力达到最大。模拟图象在0.3s 时如图.11所示。

五、结论

人体是一个复杂的多体系统，在人形体领域，研究人员一直在寻找一种更合理，并按照人体运动的表现的方案。从动力学和人体解剖学，人体运动和肌肉的相关特征开始，本文使用ADAMS的运动学和动力学分析功能来研究。人体下肢通常的运动被模拟；这里提出的合理的探索人形体方案。