人体膝关节生物力学模型研究
基于ADAMS的人体膝关节运动力学研究
基于ADAMS的人体膝关节运动力学研究刘健;郑建荣;吴青【摘要】Baaed on the research on human body structure which analyzes knee joint's kinematics and dynamics characteristics, the authors applies LifeMOD, a human biochemical mechanics software, to building up a human body model. A bushing constraint is applied creatively to knee joint. Dynamics simulation analysis is performed inside ADAMS to obtain the curves of the acting force and movement on human knee joint. Therefore the accuracy and practicability of the knee bushing model is verified, all of those efforts provide theoretical basis for researches on biped robots, artificial limbs and rehabilitation training robots.%在对人体结构进行研究的基础上,分析膝关节的运动学和动力学特性.应用人体生物力学软件LifeMOD创建人体模型,创新性地对膝关节施以轴套力约束,并在ADAMS中进行动力学仿真分析,得到人体膝关节的作用力和作用力矩曲线,验证膝关节轴套力模型的准确性和实用性,为双足步行机器人、人工假肢和康复训练机器人的研究提供理论基础.【期刊名称】《计算机应用与软件》【年(卷),期】2012(029)006【总页数】3页(P202-204)【关键词】LifeMOD;ADAMS;人体建模;膝关节动力学;仿真分析【作者】刘健;郑建荣;吴青【作者单位】华东理工大学机械与动力工程学院上海200237;华东理工大学机械与动力工程学院上海200237;华东理工大学机械与动力工程学院上海200237【正文语种】中文【中图分类】TP391.770 引言随着机电一体化技术的飞速发展，双足步行机器人的研究逐渐成为该领域的研究热点，而对机器人步态的研究又是热点中的难点。
人工膝关节仿生结构设计和生物力学关键技术及应用
人工膝关节仿生结构设计和生物力学关键技术及应用引言人工膝关节置换术是一种常见的临床治疗方式，主要应用于严重的关节炎、骨折或其他损伤所致的膝关节严重损害的患者。
随着科技的不断进步和人们对生活质量要求的提高，人工膝关节仿生结构设计以及生物力学关键技术的研究得到了越来越多的关注。
本文将从仿生结构设计和生物力学关键技术两个方面，探讨人工膝关节的最新进展和应用。
一、仿生结构设计1.1 人工膝关节的解剖和生理特点正常的膝关节由髌骨、股骨和胫骨组成，关节软骨和韧带起着重要的作用。
人工膝关节应该模拟出这些结构，并且在运动过程中要尽量减少关节表面的磨损和损伤。
仿生结构设计的关键在于模拟人体天然的关节结构和功能。
1.2 材料选择人工膝关节的材料选择至关重要，传统上常用的材料包括金属、聚乙烯和陶瓷。
近年来，生物可降解材料和纳米材料也开始逐渐应用于人工膝关节制备中，以期提高材料的生物相容性和耐磨性。
1.3 三维打印技术三维打印技术在人工膝关节仿生结构设计中起着越来越重要的作用，它可以根据患者的特殊情况，量身定制膝关节，精确度高，适应性强，减少了手术过程中的不确定性。
1.4 表面处理技术人工膝关节的表面处理对其耐磨性和功能都有很大的影响，现代的表面处理技术如纳米涂层、表面纳米结构等，可以有效地提高人工膝关节的使用寿命和力学性能。
二、生物力学关键技术2.1 运动分析技术人工膝关节置换术后，患者需要进行康复训练，运动分析技术可以帮助医生更好地监测患者的运动状态，调整康复方案，提高治疗效果。
2.2 人工关节材料的疲劳寿命测试疲劳寿命测试是评价人工膝关节材料耐久性的重要手段，通过疲劳寿命测试，可以及早发现材料的疲劳破损点，确保人工膝关节的长期可靠性。
2.3 载荷仿真技术人工膝关节在使用过程中要承受来自体重、运动等多方面的载荷，通过载荷仿真技术，可以更好地了解人工膝关节的受力情况，从而指导设计和临床治疗。
2.4 功能评估技术人工膝关节的功能评估技术可以帮助医生及时掌握患者膝关节的功能状态，评估人工膝关节的效果，指导临床治疗方案的调整。
膝关节生物力学
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股骨髁的后滚
在生理性膝关节，股骨髁的后滚是由 四边框架系统来调整的。
ACL和PCL是这一系统中的韧带连接 部分，而其在胫骨与股骨止点之间的骨 质是这一系统中的另外两边。
整个膝关节的瞬间旋转中心位于ACL 与PCL的交叉处
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A四C边L/框PC架L
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膝关节生物力学的原则
在膝关节运动过程中，骨骼的位置和朝向（运 动学）是各种力量（动力学）获得平衡的结果
关节形状（解剖学）决定了大部分接触应力的 作用方向
因此：解剖学影响动力学 动力学决定运动学
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机械轴与解剖轴
任何膝关节置换的目的是通过截 骨、软组织平衡和良好的假体安放 恢复下肢的机械轴。
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关节的形合度
在正常膝关节的0-120度屈曲中： 内侧半月板的飘移可达5 mm， 外侧半月板的飘移则达11 mm。
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关节的形合度
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TKA的关节形合度
在TKA后，股骨髁与胫骨垫的形合度远高 于生理性膝，因此关节接触面大，接触应力 小、磨损也可能小。
但这一高形合度降低了关节的自由活动， 从而可能减小关节的活动范围，增加聚乙烯 内和假体-股骨界面上的应力集中。
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PS膝中股骨髁的后滚
在后稳定型TKA中，PCL已予切 除，股骨髁的后滚依靠POST-CAM结 构调整。因此，其后滚更可预测，虽 然与生理性的仍有差异。当然postcam结构是增加了磨损的来源，也增 加了系统的限制性。
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膝盖的实验报告
实验名称：膝关节的生物力学研究一、实验目的1. 了解膝关节的生物力学特性；2. 掌握膝关节的生物力学实验方法；3. 分析膝关节在不同运动状态下的受力情况；4. 为膝关节损伤的诊断和治疗提供理论依据。
二、实验原理膝关节是人体最大的关节，由股骨、胫骨和髌骨组成，具有复杂的生物力学特性。
膝关节的生物力学研究有助于揭示膝关节损伤的机制，为临床诊断和治疗提供理论依据。
三、实验材料1. 膝关节模型；2. 生物力学测试仪；3. 力传感器；4. 计算机及数据采集软件；5. 软件及实验指导书。
四、实验方法1. 实验装置：将膝关节模型安装在生物力学测试仪上，将力传感器安装在膝关节模型上，通过计算机及数据采集软件实时采集实验数据。
2. 实验步骤：（1）调整膝关节模型，使其处于中立位；（2）在膝关节模型上施加不同的负荷，记录相应的受力情况；（3）模拟膝关节在不同运动状态下的受力情况，如屈伸、旋转等；（4）分析实验数据，得出膝关节在不同运动状态下的受力规律。
五、实验结果与分析1. 实验结果（1）在膝关节中立位时，股骨与胫骨之间的接触面积最大，受力分布较为均匀；（2）在膝关节屈伸运动过程中，受力集中在膝关节前侧，受力大小随着屈伸角度的增加而增大；（3）在膝关节旋转运动过程中，受力集中在膝关节内侧，受力大小随着旋转角度的增加而增大。
2. 结果分析（1）膝关节中立位时，受力分布较为均匀，有利于关节的稳定；（2）膝关节屈伸运动过程中，受力集中在膝关节前侧，可能与膝关节前交叉韧带承受的张力有关；（3）膝关节旋转运动过程中，受力集中在膝关节内侧，可能与膝关节内侧副韧带承受的张力有关。
六、结论通过本实验，我们掌握了膝关节的生物力学实验方法，分析了膝关节在不同运动状态下的受力情况。
实验结果表明，膝关节在不同运动状态下受力分布存在差异，为膝关节损伤的诊断和治疗提供了理论依据。
七、实验讨论1. 本实验采用膝关节模型进行实验，与人体膝关节存在一定差异，实验结果仅供参考；2. 实验过程中，实验数据的采集和分析需要较高的技术要求，可能存在误差；3. 膝关节的生物力学特性受多种因素影响，如年龄、性别、体重等，本实验未考虑这些因素，实验结果具有一定局限性。
《膝关节肌骨系统生物力学分析》
《膝关节肌骨系统生物力学分析》篇一一、引言膝关节是人体最重要的承重关节之一，负责维持下肢的运动平衡。
随着生活水平的提高和运动习惯的改变，膝关节损伤问题日益突出，这要求我们更深入地理解其生物力学特性。
本文将详细分析膝关节肌骨系统的生物力学结构，以及其工作机制与运动功能的关联性。
二、膝关节的解剖结构膝关节主要由股骨、胫骨、髌骨及相关的韧带、软骨和肌肉等构成。
这些骨骼、软组织结构形成了复杂的生物力学系统，支撑并协助下肢运动。
其中，股四头肌和腘绳肌等肌肉的收缩和舒张，对维持膝关节的稳定性和运动功能至关重要。
三、膝关节肌骨系统的生物力学分析1. 肌肉的生物力学特性膝关节的肌肉主要分为伸肌和屈肌两类。
伸肌主要是股四头肌，而屈肌包括腘绳肌等。
这些肌肉的收缩力及运动模式，直接影响到膝关节的稳定性和运动范围。
当肌肉收缩时，能产生较大的关节扭矩，推动膝关节运动。
此外，肌肉的力量分布及运动协调性对于保持关节稳定性也至关重要。
2. 韧带与软骨的生物力学作用韧带是连接骨骼的重要结构，如膝部的内外侧副韧带、前后交叉韧带等。
它们在维持膝关节稳定性方面起着重要作用。
软骨则能减少关节摩擦，保护关节面免受磨损。
韧带和软骨的生物力学特性对膝关节的功能起着决定性作用。
当这些结构受损时，会直接影响到膝关节的生物力学平衡和功能发挥。
3. 骨组织的生物力学特点股骨、胫骨等骨组织在膝关节运动中起到支撑和传导力量的作用。
骨组织的生物力学特性决定了其在不同运动状态下的应力分布和承受能力。
在膝关节运动过程中，骨组织需要承受来自肌肉收缩和韧带牵拉产生的各种力量，保持关节的稳定性和灵活性。
四、膝关节肌骨系统生物力学的应用1. 运动康复了解膝关节肌骨系统的生物力学特性对于运动康复具有重要意义。
通过分析患者的肌肉力量、关节稳定性及运动协调性等生物力学参数，可以制定针对性的康复方案，帮助患者恢复关节功能。
2. 运动损伤预防与治疗通过分析膝关节的运动机制和生物力学特性，可以预防和治疗因肌肉、韧带、软骨或骨组织损伤引起的运动障碍。
从筋骨的力学特性探讨膝关节软骨-软骨下骨稳态失衡的生物力学机制
从筋骨的力学特性探讨膝关节软骨-软骨下骨稳态失衡的生物力学机制膝关节是人体非常重要的关节之一，它承担着支撑身体重量、行走、跑步等活动的重要功能。
膝关节的功能受软骨-软骨下骨稳态的影响，而膝关节软骨-软骨下骨稳态的失衡常导致膝关节疾病的发生。
本文将从筋骨的力学特性出发，探讨膝关节软骨-软骨下骨稳态失衡的生物力学机制。
我们来看一下人体膝关节的结构。
膝关节是由股骨、胫骨和髌骨组成的，其中股骨上端与胫骨下端之间的接触面被称为膝关节的内侧间隙。
在内侧间隙中，软骨和软骨下骨共同构成了关节组织。
软骨是一种光滑、弹性较好的组织，它在关节运动时起到了减震和保护骨头的作用。
而软骨下骨则是股骨和胫骨之间的骨头结构，它的生物力学特性对膝关节的稳定起着至关重要的作用。
接着，我们来探讨筋骨的力学特性。
筋骨是连接肌肉和骨骼的组织，它在人体运动中起着传递力量和支撑身体的作用。
筋骨在运动中会受到拉伸、弯曲和扭转等多种力的作用，因此它的力学特性对于膝关节软骨-软骨下骨稳态的维持起着重要的作用。
在正常情况下，筋骨能够承受一定范围内的力量，并且具有一定的弹性。
当筋骨受到过大的力量作用或者长期的不良负荷时，它的力学特性就会发生改变，导致膝关节软骨-软骨下骨稳态失衡。
膝关节软骨-软骨下骨稳态失衡的生物力学机制可以从以下几个方面来解释。
长期的不良负荷会导致筋骨的力学特性发生改变，使得它不能有效地传递和承受力量。
这样一来，膝关节在运动时就会受到更大的力量作用，软骨和软骨下骨也会承受更大的压力，从而导致它们的退化和磨损。
筋骨的力学特性改变还会影响到肌肉的运动和控制，使得膝关节在运动过程中失去了原本的稳定性和平衡性。
长期的不良负荷也会引起膝关节的炎症和纤维化，导致软骨和软骨下骨的结构和功能发生改变，进一步加剧了膝关节软骨-软骨下骨稳态的失衡。
针对膝关节软骨-软骨下骨稳态失衡的生物力学机制，我们应该采取一系列措施来预防和治疗。
要合理安排运动和休息，避免长时间站立和过度运动。
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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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
膝关节后外侧结构的形态学及生物力学研究
解剖科学进展 Progress of Anatomical Sciences 2010 May,16(3):281~284膝关节后外侧结构的形态学及生物力学研究1121*曾蜀雄，伍国胜，汪 方，党瑞山（1. 第二军医大学解剖学教研室，上海 200433；2. 上海市第一人民医院骨科，上海 200080）膝关节后外侧结构（posterolateral structures，或PCL的同时实行PLS重建或修复组，比单纯重建PLS）的解剖学结构复杂，位置较深，且结构间有相ACL与PCL组，Lysholm（ <0.02），Tegnerr （ <0.04）互融合，给PLS解剖学描述、损伤后的诊断和重建都评分明显提高，证实PLS维持膝关节稳定的重要性和带来了极大的困难。
PLS的单独损伤比较少见，仅占重建的必要。
PLS对维持膝关节的动力与静力稳定有[1]着重要的作用，主要起到限制膝内翻，胫骨外旋、急性关节损伤的2%，而大多数伴有交叉韧带的损[7-11]伤，其中后交叉韧带（posterior cruciate ligament，前移、后移。
PLS损伤后的重建可起到恢复膝关[2]内节旋转稳定和保护重建后的交叉韧带，显著改善PCL）的损伤中，近60%都伴有PLS的损伤。
车祸、[1-8]运动、坠落等使膝关节受到巨大暴力是造成PLS损伤膝关节的运动功能。
正是由于PLS复杂的解剖结构的主要原因。
但是PLS损伤在诊断中极易被忽视，进和维持膝关节稳定的重要作用，近年来，有大量关于而出现膝关节后外侧区疼痛，异常步态，膝关节后后外侧结构的研究。
本文就近年来有关膝关节后外侧外侧旋转不稳定，甚至造成交叉韧带重建失败和慢结构的形态学及其生物力学研究进展综述如下。
[1-6][7]性膝关节不稳定等。
Freemana等回顾性研究发1 PLS的形态学研究现，重建前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL） 膝关节后外侧结构，又称膝关节后外侧角（post【收稿日期】*通讯作者（To whom correspondence should be addressed）2009-11-16 【摘要】 膝关节后外侧结构（PLS）解剖结构复杂，是膝关节重要的动力与静力的稳定结构，近年来，对PLS的解剖学描述和其在膝关节稳定中的生物力学作用越来越受到重视。
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大连理工大学
硕士学位论文
人体膝关节生物力学模型研究
姓名：孙永森
申请学位级别：硕士
专业：一般力学与力学基础指导教师：齐朝晖
20060601
大连理工大学硕士学位论文
３人体肌肉生物力学模型
肌肉是构成动物体的主要组织，根据构造不同分为平滑肌、心肌和骨骼肌【旧，如图３．１．３。
平滑肌主要分布在内脏的中空器官及血管壁，舒缩缓慢而持久；心肌是构成心壁的主要部分：骨骼肌主要存在于躯干和四肢，收缩迅速而有力，但易疲劳。
图３．１平滑肌
Ｆｉ宙．１Ｐ１ａｉｎｍｕｓｃｌｃ图３．２心肌
Ｆｊ醇．２ｃ口ｄｊａｃ
图３３骨骼肌
Ｆｉｇ３．３ｓｋｅｌｅｔａｌｍｕｓｃｌｅ
心肌和平滑肌受内脏神经调节，不直接受意识的管理，属于不随意肌；骨髂肌受躯体神经支配，直接受人的意识支配，其主要功能是当受到来自神经的刺激时产生收缩，进而引起动物体内外的各种运动，控制膝关节运动的肌肉是属于骨骼肌。
骨骼肌是体内最多的组织，约占体重的４０％，躯体的各种运动和呼吸动作均由骨骼肌的收缩来完成。
肌肉的功能和力学特性是人体和器械运动的基础，肌肉模型是任何肌骨骼系统（１ｎｕｓｃｕｌｏｓｋｃｌｅｔａｌｓｙｓｔ锄）仿真的基本要素。
骨骼肌的本构模型在肌肉分析中有十分重要的作用。
本文通过对已有的各种肌肉模型的分析，建立新的表达式。
先介绍一下各种模型的本构关系。
３．１人体骨骼肌的本构关系
骨骼肌收缩是关节动力来源，骨骼肌力的变化直接影响人动作的执行，简要介绍骨
骼肌的本构模型。
其代表模型有三种，分别是Ｈｉｌｌ模型、Ｈｕ）【ｌｃｙ模型和流变学模型。
大连理工大学硕士学位论文
后交叉韧带韵奴韧带
图４．３膝关节内部
Ｆｉｇ．４．３ｉｎｎｅｒｋ１１ｅｅｊｏｉｎｔ
膝部肌肉
图４．４膝关节肌肉
Ｆｉｇ４．４ｋｎｅｅｊｏｉｍｍｕｓｃｌｅ
位骨
骨酪肌
胫骨
膝关节外侧有外侧副韧带，起于股骨外上髁，止于腓骨小头，呈圆索状，纤维与关节囊之间被脂肪组织隔开。
侧副韧带的主要功能是加强关节侧方的稳定性。
屈膝时韧带松弛，伸膝时韧带拉紧，有限制小腿旋转的作用，关节囊内有前后交叉韧带和内外侧半月板。
交叉韧带使股骨和胫骨紧密相连，限制胫骨向前、向后移位。
半月板外缘厚，与关节囊相连，内缘薄，游离于关节腔内。
半月板能起到弹性垫的作用，可加深关节窝的凹度，改善关节面形状。
使股骨和胫骨关节面更加适应，增强关节的稳定性，并防止关节面的软骨受损。
膝关节处韧带的主要作用是使膝关节处连接牢固，同时起到缓冲带的作用。
在入运动过程中，入的肌肉力的方向与相应的骨骼保持微小的变化，因此在简化肌肉时肌肉力的方向与骨骼的姿态保持不变。
如图４．５所示。
在图中左图是以前的肌肉简化方法，只是将肌肉简化为弹簧，弹簧力的方向与骨骼的夹角岛、岛随关节角度的变化，在右图中，将肌肉简化为两个力，力的大小相等，肌肉力与骨骼的夹角岛、∞是保持不变的。
膝关节肌肉的作用各不相同，每根肌肉有自己的作用，和附着点，见表４．１。