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 = B0+ B1M + B2H，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＋Ce－|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
不变; v是沿长轴方向的肌肉收缩速度; F0为人类的激励在人体运动的初始状态，
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。
参考文献
1.许李，郭桥，陈海婴 虚拟胡男子运动系统建模方法研究[J] 系统仿真学报， 2004,16 （8 ） ，
1789-1793页
2.罗小梅，袁清河. 基于ADAMS的研究人体上肢极值性动态建模的研究与仿真[J] 机电工程
技术， 2006，35 （ 10 ） ，44-47页
3.罗小梅 基于人体动力学建模与ADAMS仿真的研究[D] 广州 ：广东科技大学， 2006年，1-30页
4.雷涧河 研究人体运动建模和基于多信息融合的研究[D] 合肥：中国科学技术大学，2006年
62-66页
5。孙光艳 人体髋关节的生物力学模型的研究[D ] 大连：大连理工大学， 2006年，8-47页
6.徐静蕾，倪维明，万年宇 建立和髋关节肌肉组织的三维生物力学模型研究[J] 伤残医学杂
志中的应用，2003,11（ 3 ） ，13-14页
7.郑建荣 基于ADAMS 虚拟样机入门和提高[M ] 北京：机械工业出版社，2005
8.郭晓松 人体解剖学[M ] 北京：科学出版社，2004
作者：李进
研究所：哈尔滨工程大学
街：45，南通街，南岗区，150001
城市：哈尔滨
国家：中国
电子邮件：lijin999@hotmail.com
附图
图.1人体下肢刚性模型
图.2 大腿的屈伸的运动模型
图.3 大腿的内侧或外侧旋转运动模型平台
图.4 腿部曲伸运动的肌肉-骨骼模型
图5. 大腿肌肉组力-时间曲线
图6. 大腿肌肉组速度-时间曲线
图7. 大腿肌肉组力-速度曲线
图8. 大腿肌肉组角加速度曲线
图9. 角加速度图
图10.主动肌肉J1力曲线
图.11 小腿伸展运动可视化图
基于adams下肢外骨骼刚柔耦合分析及仿真
关键词:人体下肢外骨骼;ADAMS;ANSYS;刚柔耦合
中图分类号:TP３９１
７ 文献标识码:A
０ 引言
人体下肢外骨骼 是 仿 人 运 动 的 施 力 者,需 要 对 受
力者(人体)实现 康 复 和 助 力 的 效 果 [１],其 安 全 舒 适 性
４)
(
MFa ＝Faxa ．
５)
其中:
ma 为脚的质量;
aa 为脚的加速度;
g 为重力加速
度;
La 为角 动 量 的 变 化 率;MFa 为 踝 关 节 力 产 生 的 转
矩;
Ia 为踝关节的 转 动 惯 量;
xa 为 踝 关 节 到 脚 的 质 心
距;
θa 为踝关节角的角加速度.由式(
１)~ 式(
状面Y 轴的关节角度和 力 矩 的 变 化 曲 线,并 在 此 基 础
上设计了简化的下肢外骨骼机器人.
近年来机械、航空、医疗等诸多领域都在应用虚拟
样机和有限元进行 安 全、便 捷、高 效 的 仿 真,而 涉 及 多
软件刚柔耦合动力学分析的研究很少 [５].本文结合人
体下肢外骨骼和假肢 运 动 规 律 的 需 求,通 过 理 论 计 算
和模拟仿真相结合的 方 式,对 比 刚 体 和 柔 体 验 证 刚 柔
耦合人体下肢外骨骼的准确性和有效性.
１ 下肢外骨骼动力学建模
正常情况下,人体实际运动大体分为矢状面、冠状
面和水平面,而在水平面和冠状面内的运动很小,不太
明显,主要是 在 矢 状 面 内 的 运 动 [６].人 体 下 肢 系 统 组
下肢外骨骼机器人结构设计和动力学仿真
ｅｎｄｕｒａｎｃｅ，ｌｏｎｇ ａ ｔｈｌｅｔｉ ｃ ａ ｂ ｉｌｉｔｙ，ｉｔ ｄｅｓｉｇｎｓ ａ ｒｏｂｏｔ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｎｇ ａｒｔｉｆｃｉａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅ· ｅ ａｎｄ ｒｏｂｏｔｉｃｓ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ｗｈｉｃｈ ｗｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｈｕｍａｎ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｆｅｒｓ ｔｏ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｓｉｍｕｌａ ｔｅｓ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆｆｒｅｅｄｏｍ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ａ ｇｒｅａ ｔ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｏ ｆ ｈｕｍａｎ－ｍａ ｃｈｉｎｅ．Ｂｙ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉ ｓ ｔＯ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｎｏｒｍａｌ ｗａ ｌｋｉｎｇ ｇ ￡，ｉｔ ｇｅｔｓ ｔｈｅ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｏｆｅａｃｈｊｏｉｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．Ｉｔ ｐｅ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂｙ Ｍａ ｄ ａｂ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ ｄａｔａ ｏｆｅａｃｈｊｏｉｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｉｍｐｏｒｔｓ ｔｈａｔ ｄａｔａ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｂｕｉｌｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ａｄａｍｓ ｆｏｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａ ｔｉ ｏｎ ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａ ｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆｔｈｅ ｊｏｉｎｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅ。ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｒｅｆｅｆｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ． ｅｒ
人体下肢运动学建模python
人体下肢运动学建模是运动生物力学领域的重要研究内容之一。
通过建立人体下肢运动学模型，可以更好地理解人体运动的生物力学特性，为运动损伤的预防和康复提供理论支持。
本文将针对人体下肢运动学建模这一主题展开讨论，并使用Python语言进行建模实践。
一、人体下肢运动学基础概念1. 下肢骨骼结构：人体下肢包括髋关节、膝关节和踝关节，通过骨骼相互连接形成一个复杂的生物力学系统。
2. 运动学参数：人体下肢运动的关键参数包括角度、角加速度、角速度等，这些参数描述了人体运动的姿态和速度特征。
二、人体下肢运动学建模方法1. 运动学数据采集：通过运动捕捉系统或传感器获取人体下肢运动的数据，包括关节角度、关节力等。
2. 建立数学模型：将采集到的运动学数据转化为数学模型，可以采用欧拉角、四元数等方式描述人体下肢的运动状态。
3. 模型验证与优化：对建立的数学模型进行验证，不断优化模型以提高模拟的准确性和稳定性。
三、Python在人体下肢运动学建模中的应用1. 数据处理与分析：Python具有丰富的数据处理和分析库，如NumPy、Pandas等，可以方便地处理和分析从运动捕捉系统中得到的运动学数据。
2. 模型建立与仿真：借助Python中的数学建模库，如SymPy、SciPy等，可以快速建立人体下肢运动学模型，并进行仿真实验。
3. 结果可视化：Python中的Matplotlib库可以将模拟结果直观地呈现出来，有助于研究人员对模型结果进行直观分析和展示。
四、人体下肢运动学建模实例以人体下肢弯曲运动为例，通过Python进行建模和仿真实验：1. 数据采集：通过运动捕捉系统获取人体下肢弯曲运动的数据，包括髋、膝、踝关节的角度随时间的变化。
2. 模型建立：利用Python编程语言，建立人体下肢弯曲运动的数学模型，考虑肌肉、韧带等生物力学因素。
3. 仿真实验：通过Python进行数值仿真实验，得到人体下肢弯曲运动的模拟结果，并与实际数据进行对比分析。
基于牛顿-欧拉法的人体下肢动力学分析与建模
A Dynamics Analysis and Modeling of Human Lower
Limb Based on Newton-Euler Approach 作者： 张玉叶;张原园;毛少坤;张婷
作者机构： 咸阳师范学院物理与电子工程学院,陕西咸阳712000
出版物刊名： 咸阳师范学院学报
页码： 51-55页
年卷期： 2018年 第4期
主题词： 下肢康复机器人;动力学建模;牛顿-欧拉法;关节力矩
摘要：人体下肢运动分析和建模是研究助老助残下肢外骨骼康复机器人的重要内容。
建立了基于人体下肢步态分析的连杆刚体力学模型,采用牛顿-欧拉法构建人体下肢的各部分的动力学模型,可减少计算步骤,提高计算效率,获得关节力矩准确值,从而量化了下肢的运动。
最后对人体下肢各关节的动力学模型进行了仿真,求解了方程,得到了所建模型对单腿支撑相和摆动相下的踝关节、髋关节和膝关节力矩曲线。
利用该动力学模型可以获得训练过程中各关节的受力情况,为深入研究、设计助老助残康复机器人奠定了基础。
基于逆运动学和动力学的虚拟人行走仿真
基于逆运动学和动力学的虚拟人行走仿真
韩晓宁;姜昱明
【期刊名称】《计算机工程与设计》
【年(卷),期】2006(27)15
【摘要】在计算机上模拟真实人行走是计算机仿真的一个基本问题.人体行走是一种伴随着碰撞、摩擦和滑动的复杂的系统运动,为了实现模拟的逼真性,需要着重在运动控制上进行研究.首先对人体行走进行分析并建立了简单的人体模型,然后详细给出行走过程中关节点位置的数学描述,最后采用逆运动学求解雅可比矩阵的方法并结合动力学知识,运用VC++.NET和OpenGL为编程工具以骨架模型实现了虚拟人行走.
【总页数】3页(P2871-2873)
【作者】韩晓宁;姜昱明
【作者单位】西安电子科技大学,计算机学院,陕西,西安,710071;西安电子科技大学,计算机学院,陕西,西安,710071
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于多体动力学的4 WID-4 WIS电动车运动学建模与逆运动学仿真 [J], 董铸荣;任少云;贺萍;李占玉;胡松华
2.基于生物力学的虚拟人运动控制及行走仿真 [J], 王建鹏;秦文虎;孙立博
3.基于Maya关键帧技术的虚拟人行走运动仿真 [J], 叶淑静;万静
4.基于改进型遗传算法的虚拟人上肢运动链逆运动学求解方法 [J], 邓刚锋;黄先祥;高钦和;张志利;李敏
5.基于逆运动学的虚拟人行走 [J], 何凯;姜昱明
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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。
人体下肢康复机构设计及运动学仿真
ｂ ｌ ａｉ ｎ ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ ｎ ｈ ｎ ｔ ｍｙ ｏ ｕ ｎ’ ｅ ，ａ ｎ ｗ ｋ ｎ ｆｌｇ ｒ ｈ ｂ ｌ ａｉ Байду номын сангаас ｒ ｂ ｔｉ ｄ ｓ ｎ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｉ ｔｔ ｎ ｔ ｉ ｏ ｕ ｎ ｓ ａ ｄ ｔ ｅ ａ ａ ｏ ｆ ｈ ｍａ Ｓ ｌｇ ｅ ｉ ｄ ｏ ｅ ｅ ａ ｉ ｔｔ ｏ ｏ ｓ ｅ ｉ ｅ ａ ｅ ｎ ｉ ｏ ｇ
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ： ｐ ｔ ｏ Ｕ ｏ ｎ ｗ，ｔｅ ｅ ａ ｅ ｏ ｌ ｅ ｅ ａ ｉｄ ｆ ｈ ｒ ｐ ｏ ｏ ｓｕ ｅ ｎ ｔ ｅ ｃｉ ｉ ｐ ｌ ａｉｎ ｈ ｒ ｒ ｎ ｙ ｓ ｖ ｒ ｋ ｎ ｓｏ ｅ ａ ｙ ｒ ｂ ｔ ｓ ｄ ｉ ｌ ｃ ａ ｐ ｉ ｔ ．Ａｎ ｈ ｒ ｒ ｌ ｔ ｈ ｎ ｃ ｏ ｄ ｔｅ ｅ ａ ｅ ｓｉ ｅ ｅ ｈ ｔ ｌ ｕ ｃ ｓ ｆ ｌ ｎ ｔ ｅｒｐ ｐ ｌｒｚ ｔ ｎ． ｈ ｙ ａ ｅｈ ｌｆ ｌ ｏ ｅ ｒ ｈ ｂ ｌ ａ ｉｎ ｏ ｅｐ ｔ ｎ ｓ ｉ ｓ ｕ ｔ ｌ ｗ ｒｔ ａ ｅ ｓ ｃ ｅ ｓ ｈ ｉ ｏ ｕ ａｉａ ｉ ｌｆ ａ ｕ ｉ ｏ Ｔ ｅ ｅｐ ｕ ｒｔ ｅ ａ ｉ ｔｔ ｆｔ ａｉ ｔ ’ｌ ｒ ｆ ｈ ｉ ｏ ｈ ｅ ｍｂ ，ｂ ｔ
Ｚ ｉｎ—ｌ ｇ， Ｕ Ｃ ｅ ｇ—ｌ ｎ ＨＵ Ｊａ ｉ ＫＩ ｈ ｎ ｎ ｉ ｇ ａ
（ｃ ｏｌ ｆ ｃ ａｉ ｌ ｎ ｉ ｅｉｇ ＳＴ Ｓ ａｇ ａ ２０ ３ ， ｈｎ ） Ｓｈ ｏ ｏ ｈ ｎｃ ｇｎ ｒ ， Ｊ Ｕ， ｈｎｈ ｉ ０ ０ ０ Ｃ ｉａ Ｍｅ ａＥ ｅ ｎ
基于AnyBody的汽车驾驶中人体腿部逆向动力学仿真
基于AnyBody的汽车驾驶中人体腿部逆向动力学仿真丁晨;王君泽;高瞻【摘要】为了更好地了解汽车驾驶时人体腿部肌骨的受力状况,建立了腿部肌骨模型并进行了生物力学分析.结合人机工程学相关知识和驾驶室内人体腿部的空间几何关系,利用AnyBody Modeling System软件建立了人体腿部的肌骨模型,对正常行驶过程中踩踏油门踏板的实例进行了腿部逆向动力学仿真,并分析了腿部肌肉活动状态以及关节节点力.仿真结果表明,负载较大的股外侧肌、股内侧肌、股中间肌以及股直肌的激活度均在20％以内,趾骨节点处负载最大为346.43 N,为确定合理的踏板操纵力提供了依据.【期刊名称】《中国生物医学工程学报》【年(卷),期】2013(032)001【总页数】5页(P124-128)【关键词】人体腿部;逆向动力学;生物力学;AnyBody Modeling System;仿真【作者】丁晨;王君泽;高瞻【作者单位】南通大学计算机科学与技术学院,南通226019【正文语种】中文【中图分类】R318.01引言汽车行驶路况复杂多变，驾驶员要不断进行汽车的启动、加速、减速与制动，反复蹬踩汽车踏板。
这一系列重复单调的动作带来的直接负面影响，就是驾驶员腿部长期疲劳酸痛，从而导致腿部肌肉劳损［1］。
为了有效解决这一问题，虚拟驾驶环境下的人体逆向动力学仿真成为研究热点［2］，计算机辅助人机工程学和生物力学分析成为有效方法。
本研究结合人机工程学与生物力学相关知识，通过AnyBody Modeling System 生物力学软件平台，建立驾驶过程中驾驶员腿部肌骨模型并进行逆向动力学分析，研究主要关节肌群在运动中的力学特征，为提高汽车踏板机构的设计质量、优化机械系统功效和人体健康之间的关系提供理论支撑。
1 驾驶室人体腿部几何分析驾驶室人体腿部与踏板之间的几何关系是仿真的研究前提，属于人机工程学的知识范畴。
其具体工作是根据腿部关节与踏板之间的几何关系，确定合理的H 点高度，找到合适的踏板位置及倾角［3］。
穿戴式下肢负重外骨骼机械人机构设计与动力学仿真_杨凯
图2
外骨骼自由度设计实体模型
3 步行质心轨迹生成
3.1 可变 ZMP 的三维倒立摆模型
利用 D－H(Denavit－Harenberg)建模方法及 4×4 齐次变换矩阵来描述外骨骼下肢各连杆 坐标和相对空间的几何关系[5]。为合理规划下肢外骨骼的步行关节轨迹，可以将其简化为一 个图 3 所示的三维倒立摆模型， 并且让 ZMP 点在脚底着地的稳定区域内按照某种规律合理地 ，则脚的踝关节到脚的边缘的 变化。其中，取踝关节所在的位置为基准坐标系 P0=（x0, y0, z0） 距离分别为 La、 Lb、 Lc、 Ld 。 质心的位置为 Pcog=[xcog , ycog , zcog]T, 零力矩点的位置为 Pzmp=[xzmp , yzmp , 0]T。下肢外骨骼机械人在步行周期内，假设其质心的高度位置始终为 Hc；质心在竖直
()
式中，k 为 ZMP 的可变系数，且满足 0 k 1 ，当 k =0 时，ZMP 的可变范围最小，固定在 脚底的中点位置；当 k =1 时，ZMP 的可变范围最大，可以在整个脚底范围内变化。由公式(1)、 (2)经积分得到单脚支撑期的质心运动轨迹公式为：
xc xc cos t t0 t t0 cTs sin x x zmp Ts Ts
X0
图 3 三维倒立摆模型
3.2 按照余弦规律变化的 ZMP 运动轨迹
以 C.Zhu 等人提出的 ZMP 倒立摆模型生成步行轨迹方法[6]。在此研究成果基础上提出按 照余弦规律变化的可变 ZMP 方法。定义可变 ZMP 的时间函数为：
L a Lb L Lb t k cos( ) a Ts 2 2 Lc Ld Lc Ld t y zmp ( t ) k cos( ) Ts 2 2 x zmp ( t )
下肢助力外骨骼的动力学分析及仿真
下肢助力外骨骼的动力学分析及仿真
韩亚丽;王兴松
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2013(25)1
【摘要】下肢助力外骨骼是一种形似人体腿部结构,并联与穿戴者下肢外部,对穿戴者进行行走助力的机构。
针对下肢助力外骨骼的行走特点,把其行走步态周期内的运动分成:单脚支撑、双脚支撑和一脚虚触地的双脚支撑三种行走模式,分别对此三种行走模式进行研究。
构建动力学模型,求出各关节力矩,并通过仿真,验证其理论分析的正确性。
下肢助力外骨骼的动力学研究为控制系统提供重要的理论依据,除外此研究结果也为仿人机器人的行走动力学研究提供重要的参考依据。
【总页数】8页(P61-67)
【作者】韩亚丽;王兴松
【作者单位】南京工程学院;东南大学
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.下肢外骨骼助力装置结构与动力学分析
2.医疗助力下肢外骨骼设计及动力学仿真分析
3.下肢康复外骨骼机器人动力学分析及仿真
4.人体负重下肢助力机械外骨骼结构设计及运动学仿真分析
5.基于人机耦合的下肢外骨骼动力学分析及仿真
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。