基于超级计算人体骨骼肌系统弯腰搬物整体有限元的建模与仿真
基于纤维增强超弹性基体模型的骨骼肌有限元模拟
现时长度函数可以根据希尔方程确定[ 6] , 研究 中选用的长度函数与 Johansson 一致[ 11] 。
将希尔方程转化为无量纲形式[ 13] , 即
=
0
1- v v0 1+ c v v0
( 4)
式中, 最大速度 v0 =
b a
0
,
c=
0
a
。
由上式定义速度函数为
f v( s) =
1- s 1 + cs
图 3 肌肉单 轴应变( 时间为 0 5 s) 。( a) x 方向; ( b) y 方向; ( c) z 方向 Fig. 3 The uniaxial strain of the muscle ( t = 0 5 s) . ( a) x direction; ( b) y direction; ( c) z direction
引言
骨骼肌是构成人体的重要组织, 占人体体重的 40% ~ 45% , 通过主动收缩产生应力, 经肌键作用于 骨骼上, 实现人体的各种运动。肌肉的力学响应是 人体运动的基础, 当骨骼肌受到来自神经系统的刺 激时, 它将储存于自身的化学能转化为机械能, 产生 响应外来刺激的各种运动和呼吸动作。
不同于一般工程材料, 骨骼肌的机械性能相当 复杂, 表现为非线性、不可压、各向异性和超弹性的 性能。此外, 当受到一定的外界刺激时, 能够主动收 缩发力。因此, 骨骼肌又称为生物驱动发动机。从 研究的历史进程来看, 存在两种描述主动收缩发力 的肌肉模型: 希尔模型和贺胥黎模型。后者是基于 生物物理桥联理论, 主要依赖于生物化学、热动力学 和机械试验, 在分子量级上描述肌肉行为[ 1] 。由于 此模型的数学公式过于复杂, 仅适用于肌肉微观收 缩的定性描述。希尔模型的研究基础是热动力学试
人体骨骼数字模型仿真学.doc
人体骨骼数字模型仿真学【张春才苏佳灿本书系统地阐述了医学仿真学理论及其在骨科领域的应用，全面地介绍了医学仿真学的发展过程，以丰富的文字和精美的图片进行说明。
紧密结合基础研究及临床工作的需要，介绍计算机仿真学在骨科领域应用中的研究成果与最新进展。
全书共分3篇12章。
第一篇是基础知识。
第一章介绍医学仿真的相关理论，有限元原理和基本分析步骤，第二章介绍人体组织三维建模基本原理，并简要介绍了VHP计划；第三章介绍MedV ol软件的界面和使用方法；第四章介绍了CT原理及其在三维建模中应注意的事项；第五章为骨骼运动系统概论。
第二篇是应用篇。
以大量图片展示各类骨骼的解剖形态、重建步骤、重建图形，其中对部分骨骼给出有限元分析的实例。
第三篇是附录，介绍有限元分析软件。
本书适合大专院校医学、生物学领域的研究生、骨科临床医生或者从事医学仿真学研究的医学工程科研人员阅读。
张春才男，汉族，1948年3月生，1976年毕业于第二军医大学，骨科教授，主任医师、博士生导师。
中共党员。
1975年第二军医大学毕业，1991年在职临床研究生毕业，现任中华航海杂志编委，上海生物医学工程学术委员会委员，韩国INJE大学客座教授。
主要业绩：长期从事野战外科（创伤、骨与关节损伤与内固定）的基础与临床研究。
特别是对骨科救治新材料的研究方面。
90年首次于中华骨科、外科杂志命名镍钛形状记忆合金（NT－SMA）为生物记忆材料以来，对NT－SMA的临床应用做了系列研究，涉及四肢骨、血管介入放射学等，取得了明显的效果。
据联机检索，为此领域的多产作者。
论著两次被引入INDEX MEDICUS。
由此，对传统的静态骨愈合理论提出了挑战；提出了动态记忆骨愈合的假说，力图阐明无应力遮挡有效固定和无骨痂愈合的规律。
1991年获国有发明四等奖1项。
91、95年获军队科技进步二等奖2项；93年获国家发明展金奖与世界IFIA－人类健康奖各一项；97年获政府特殊津贴。
苏佳灿男，汉族，1976年8月出生，1999年毕业于第二军医大学军医系，获学士学位。
基于ADAMS人体动力学的建模与仿真研究
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。
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。
人体下肢运动力学分析与建模
III
杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品或成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
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学位论文使用授权说明
本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。 本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大 学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文 的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 （保密 论文在解密后遵守此规定）
杭州电子科技大学 硕士学位论文 人体下肢运动力学分析与建模 姓名：洪晓明 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：叶明 20091201
杭州电子科技大学硕士学位论文
摘要
研制下肢假肢是为了改善残疾人的生活质量和促进医疗福利事业的发展， 同 时智能假肢也是机器人学和生物医学工程领域深受关注的研究方向。 智能下肢假 肢通过检测穿戴者的运动状态来控制假肢运动，从而提高步态的灵活性、协调性 和安全性。我国下肢残疾者人数众多，国内在智能下肢假肢的研究水平上也明显 落后于欧美发达国家，因此为肢体残疾人提供性能优良、价格低廉的假肢器械是 残疾人事业发展的重要任务。 人体下肢运动分析和建模是研究假肢的重要内容， 本文紧密围绕国家自然科 学基金资助项目“膝上假肢的运动力学信息获取与多运动模式控制方法研究 （60705010） ” ，主要做了以下几个方面的工作： 建立人体下肢运动生物力学信息获取系统， 利用表面电极获取下肢运动肌电 信号；利用多轴加速度传感器来检测大腿和小腿的倾角，获取肢体的姿态以及膝 关节角度和角速度； 下肢的脚与地面之间接触状态和作用力等信息采用足底安装 压力传感器的方式检测。 根据人体的结构和运动学的分析，建立人体下肢运动数学模型。比较动力学 建模中通常采用的拉格朗日法、牛顿-欧拉法等的优缺点，选用拉格朗日建模方 法，从系统能量角度出发构建人体下肢的动力学模型，并进行动力学分析，得到 关节力矩。 基于 Matlab/SimMechanics 仿真工具箱人体下肢运动系统建模，选取了平地 行走、上坡、上阶梯三种不同的运动模式，每种运动模式下分为摆动期和支撑期 两个阶段，建立相应的模型，以各关节的角位移、角速度、角加速度为输入，仿 真得到各种运动模式下髋关节和膝关节力矩。在平地行走模式下，将求解拉格朗 日方程所得到的关节力矩与 Matlab/SimMechanics 建模仿真所得的力矩进行比 较，两者基本吻合，证明了建立的模型比较合理。 运用数学统计方法对下肢运动参数进行分析， 首先应用新阈值消噪方法对肌 电信号进行消噪处理，用平均值法提取特征向量，利用回归分析的方法研究表面 肌电信号与关节力矩之间的关系，通过数据分析，表明关节力矩与表面肌电信号 近似成线性关系，在此基础上得出了关节力矩与表面肌电信号的表达式。运用回 归分析中多项式拟合方法对力矩与时间的关系进行建模， 得出了各种运动模式下 关节力矩与时间的关系，为下肢假肢的控制方法研究提供了实验与理论的依据。 关键词：运动生物力学，动力学，关节力矩，SimMechanic 建模，回归分析
人体脊椎腰段有限元建模及其力学分析
人体脊椎腰段有限元建模及其力学分析陈阳国;刘彤;王汝恒;陈科【摘要】Based on the adult healthy male spinal lumbar CT scan data,finite element modeling of lumbar spine was carried out by Mimics,Geomagic and Ansys software,analyzing the mechanical behavior of the lumbar spine under compression,bending and torsion and verifying validity of the model.The results show that the spinal lumbar segments slightly lean backward under compressive loading;The intervertebral disc stress distribution is complex under bending load;The torsion angles of the L1 vertebral body and the L2 vertebral body vary greatly under torsional loading;The intervertebral disc is the basis of substantial move-ment of the vertebral body.%基于成年健康男性脊椎腰段CT扫描数据,运用Mimics,Geomagic以及Ansys软件对脊椎腰段进行有限元建模,分析脊椎腰段在压缩、弯曲和扭转荷载作用下的力学行为,验证模型有效性.结果表明:脊椎腰段在压缩荷载作用下有小幅度后仰;在弯曲荷载作用下,椎间盘应力分布较为复杂;在扭转荷载作用下,L1椎体和L2椎体扭转角度相差较大;椎间盘是椎体大幅度活动的基础.【期刊名称】《西南科技大学学报》【年(卷),期】2018(033)002【总页数】7页(P65-71)【关键词】脊椎;椎间盘;三维重建;有限元分析【作者】陈阳国;刘彤;王汝恒;陈科【作者单位】西南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳 621010;西南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳 621010;中国物理研究院培训中心四川绵阳621900;西南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳 621010;西南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳 621010【正文语种】中文【中图分类】TP391.41;R681.5脊椎作为人体的中轴支柱，具有保持人体稳定、维持各种运动状态、承受荷载的功能。
《基于多体动力学和有限元方法对人体下肢生物力学的研究》范文
《基于多体动力学和有限元方法对人体下肢生物力学的研究》篇一一、引言人体下肢的生物力学研究在体育科学、医学康复、运动训练等多个领域具有广泛的应用价值。
本文旨在利用多体动力学和有限元方法，对人体下肢的生物力学进行深入研究，以揭示其运动机制、动力学特性和潜在的生物力学问题。
二、研究背景及意义随着科技的发展，多体动力学和有限元方法在生物医学工程领域得到了广泛应用。
多体动力学能够有效地模拟和分析复杂系统的运动学特性，而有限元方法则能够详细地描述材料和结构的力学行为。
将这两种方法应用于人体下肢的生物力学研究，有助于更深入地了解人体下肢的运动学、动力学特性以及在各种生理、病理条件下的响应机制。
这将对提高体育训练效率、预防和治疗运动损伤等方面具有重要的实用价值。
三、研究方法本研究采用多体动力学和有限元方法相结合的方式，对人体下肢进行生物力学研究。
具体步骤如下：1. 建立人体下肢的多体动力学模型。
通过收集相关的人体尺寸数据，建立各关节、肌肉、骨骼等部位的几何模型，并利用多体动力学软件进行模型参数化。
2. 利用有限元方法对人体下肢的骨骼、肌肉等组织进行建模。
根据组织的材料属性，建立相应的有限元模型。
3. 通过多体动力学模拟人体下肢的运动过程，分析其运动学和动力学特性。
同时，将模拟结果与实际实验数据进行对比，验证模型的准确性。
4. 利用有限元方法分析人体下肢在各种生理、病理条件下的力学响应，揭示其潜在的生物力学问题。
四、研究结果1. 通过多体动力学模拟，我们发现人体下肢在运动过程中，各关节的力矩、角度等运动学参数具有明显的规律性。
这些规律性参数对于理解人体下肢的运动机制具有重要意义。
2. 有限元分析表明，人体下肢在承受外力作用时，骨骼、肌肉等组织的应力分布具有明显的特点。
这些特点有助于我们了解人体在各种生理、病理条件下的响应机制。
3. 通过对比多体动力学模拟结果和实际实验数据，我们发现模型具有较高的准确性。
这为进一步研究人体下肢的生物力学提供了可靠的依据。
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。
骨骼肌有限元分析
骨骼肌的总应力为基体应力与纤维应力之和, 设纤维的体积分数为Φ, 则总应变可表示为：
数值模拟
• 骨骼肌模拟的难点在于主动收缩过程模拟, 本研究采用商用有限元软件AQAQUS, 通过 UMAT接口程序, 将上节应力表达式的本构 模型, 以子程序的形式写入ABAQUS中, 利用 ABAQUS平台, 对骨骼肌进行三维建模分析。
• Welxer设计了一个肌肉模型, 采用不同的模型来计算肌纤维等容发力, 预测钙元素流失所产生的肌肉疲劳, 但不能用于分析非等容收缩。Tsui 设计了一个马达单元 , 用来描述骨骼肌的主动发力特征, 并将此本构关 系写入商业软件ABAQUS中, 用于分析胫骨肌肉的伸长与缩短。尽管此 模型能够考虑肌肉的主动和被动变形特征, 但在主动特征方面不能有 效地处理收缩速度, 以实现伸长对肌肉收缩力的影响。哈佛大学Kojic 等在希尔模型的基础上, 对骨骼肌进行了系列研究, 将希尔模型中的串 联弹簧发展为非线性模型, 采用多重并联模型描述不同纤维的性能。 在其研究基础上, 开发了计算肌肉模型的专用有限元软件PAK, 并用于 肌肉疲劳计算。但由于其模型以希尔理论为基础, 研究内容也受到希 尔模型本身的限制, 如串联模型中单元尺寸的选取属人为因素, 并联单 元取线弹性性质与肌肉实际变形有一定差距, 其研究有待进一步完善。 Johansson考虑骨骼肌为纤维增强复合材料, 导出了关于骨骼肌的大变 形、超弹性本构关系, 并写入ANSYS中, 得到了肌肉的变形和应力分布 规律, 但没有考虑周期激励的作用效果, 其重要结果都在毫秒量级之内。
基于纤维增强超弹性基体模型的 骨骼肌有限元模拟
Numerical Analysis of Skeletal MuscleUsing Model of Hyperelastic Matrix and Active Contraction Fiber
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通讯作者：田丰， 研究员，解放军军 事医学科学院卫 生装备研究所，天 津市 300161
温度为－35 ℃，切片厚度为0.1 mm，切片数据
图像的象素为3 072×2 048。 冷冻切片序列的每张图像具有4个用于配
准的标志点[11]，各幅图像对应位置上的标志点
来自同一预埋的标志杆。同时采用了3次有理 周期B 样条曲线逼近方法直接对冷冻切片图像 进行分割，直接输出骨组织轮廓的样条曲线模 型。最后得到的数据写成IGES格式，见图1。
魏高峰1，2，田 丰1，唐 刚2，王成焘2
Integrated finite element modeling and simulation of entire musculoskeletal system weightlifting based on super-computer
Wei Gao-feng1,2, Tian Feng1, Tang Gang2, Wang Cheng-tao2
中国组织工程研究与临床康复 第 15 卷 第 30 期 2011–07–23 出版 Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research July 23, 2011 Vol.15, No.30
基于超级计算人体骨骼肌系统弯腰搬物整体有限元的建模与仿真*☆
Correspondence to: Tian Feng, Researcher, Institute of Medical Equipment, China Academy of Military Medical Science, Tianjin 300161, China
Supported by: the National Natural Science Foundation of China, No. 30530230*
ISSN 1673-8225 CN 21-1539/R CODEN: ZLKHAH
万方数据
5539
魏高峰，等. 基于超级计算人体骨骼肌系统弯腰搬物整体有限元的建模与仿真
1 解放军军事医学 科学院卫生装备 研究所，天津市 300161；2 上海交 通大学生物医学 制造与生命质量 工程研究所，上海 市 200240
1Institute of Medical Equipment, China Academy of Military Medical Science, Tianjin 300161, China; 2Biology Manufacture & Life Quality via Engineering Institute, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
Figl reconstruction of the
human musculoskeletal system based on
Chinese Digital Human project 基于中国数字人工程的人体骨骼肌系统三 维重建
doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2011.30.008
魏高峰，田丰，唐刚，王成焘. 基于超级计算人体骨骼肌系统弯腰搬物整体有限元的建模与仿真[J].中国组织工程研究与临
床康复，2011，15(30):5539-5542.
[ ]
Wei GF, Tian F, Tang G, Wang CT. Integrated finite element modeling and simulation of entire musculoskeletal system weightlifting based on super-computer.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu. 2011;15(30): 5539-5542. [ ]
摘要 背景：目前有限元模型的建立大多通过 CT 成像技术建立三维三角面片模型，然后通过商业软件转换成四面体有限元网格， 但建立的有限元模型无实体模型，不能进行切割或植入假体。 目的：建立人体骨骼肌系统整体有限元模型，并对人体骨骼肌系统弯腰搬物运动进行基于超级并行计算的整体有限元仿真 分析。 方法：针对中国数字人工程所获得的冷冻切片数据进行人体骨骼肌系统的整体三维重建；建立人体骨骼肌系统各肢体部分 有限元模型，利用系统集成的方法建立人体骨骼肌系统的整体有限元模型；对人体骨骼肌系统弯腰搬物运动行运动捕捉测 量实验，进行人体骨骼肌系统弯腰搬物的整体有限元仿真分析。 结果与结论：建立了人体骨骼肌系统的整体有限元模型，人体弯腰搬物过程中总体有限元仿真分析显示，腰椎部分是提供 人体弯腰搬物运动的主要动力部分，而胸椎则在整个弯腰搬物运动中起的作用不大，结果分析同解剖学和生理学上的解释 一致。说明建立的人体骨骼肌系统整体有限元系统集成建模方法和模型，能够有效真实地对人体骨骼肌系统整体运动过程 中的微观力学行为进行仿真分析，为从整体角度研究人体骨骼肌系统的深层次力学现象提供了一种新方法。 关键词：人体骨骼肌系统；弯腰搬物；有限元；中国力学虚拟人；生物力学
Abstract BACKGROUND: Currently, finite element models are mostly established based on CT imaging to prepare a three dimensional triangular patch model, and then converted into a tetrahedral finite element mesh via commercial software. However, the finite element model has no solid model, and cannot be cut or used as implants. OBJECTIVE: Based on the anatomical three -dimensional models of China Mechanical Virtual Human Project, an integrated finite element model of entire human musculoskeletal system was built. The weightlifting motor task was implemented and simulated using the proposed finite element model based on the super-computer. METHODS: Firstly, the three-dimensional models of the musculoskeletal system were reconstructed from the cross-sectional images. Secondly, the segmental finite element model of human musculoskeletal system was built. The finite element model of the entire human musculoskeletal system was constructed through system integrating method. In the end, the motion capture experiment of weightlifting motor task was implemented. The finite element model of the entire human musculoskeletal system weightlifting was simulated and analyzed based on the super-computer Dawning 4000A in Shanghai Super-computer Center. RESULTS AND CONCLUSION: The integrated method of human musculoskeletal system finite element modeling was developed. An entire human musculoskeletal system finite element model was built. The weightlifting motor task was simulated and the stresses contours of entire musculoskeletal system were obtained. The proposed human musculoskeletal system model could describe the microcosmic mechanical phenomenon of human musculoskeletal system efficaciously and genuinely. It provides a new method for human musculoskeletal biomechanics analysis.
中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:1673-8225 (2011)30-05539-04
收稿日期：2011-03-15 修回日期：2011-05-30 (20110315011/GW·W)
解 放 军第 三 军医 大 学 提 供 的 中国数字化可视人 体数据集 C V H-1[10] 。该数据集标本年龄为35 岁、 男性、身高170 cm、体质量65 kg，尸体的冰冻