（机械设计及理论专业论文）基于adams人体动力学的建模与仿真研究.pdf

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。 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a d a m s 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a d a m s 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。 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s t e p 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。 关键词：a d a m s ；人体；建模：仿真 童三些奎兰三兰堡圭兰堡篁圣 a b s tr a c t h u m a nb o d yd y n a m i c st a k e sa i ma tt h em o d e l i n gm e t h o d so fh u m a nb o d ya n dt h e a n a l y s i so ft h e “n e m a t i c sa n dd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e s u l tm o d e l h u m a nb o d y d y n a m i c si so n eo ft h ef o u n d a t i o s u b j e c t so ft h er e s e a r c ho fa p e r ym e c h a n i s ma dh a s b e e nw i d e l yu s e di nt h ea r e a ss u c ha sa e r oa n da u t o m o b i l e t h er e s e a r c ho f h u m a nb o d y d y n a m i c si s o fr e a l s i g n i f i c a n c ei nt h ed e s i g no fm e c h a t r o n i cp r o d u c t sa n de x e r c i s e h e a i i n gm e c h a n i s m a tf i r s tt h es t r u c t u r e f h n c t i o n m o v e m e n to fh u m a ns k e l e t o n a r t i c u l a t i o na n dm u s c l e s a r ep r e s e n t e d ，t h e nt h eh u m a nb o d ym o d e li ss i m p l i f i e db a s e do nn l u l t i - b o d yd y n a m i c s ， a t l dt h eh u m a nd y n a m i c sm o d e li sb u i l tu pi na d a m s a t1 a s tt h ew a l k i n gp r o c e s si s s i m u l a t e da n dt h ed y n a m i c sp a r a m e t e r sa r er e c o r d e da n dc o m p 甜e dw i t hf a c t u a ld a t a t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e ra r e ： 1 t h et h i n k i n go fs p e c i f i e d m o v e m e n t o r i e n t e dh u m a nb o d ym o d e l i n gi sb r o k e n t h r o u g h t h em o d e lb u i l ti nt h i sp a p e r i sf i tf o rm o s tf r e em o v e m e t 2 i ti sb r o u g h tf o n v a r dt h a tr e g a r d i n gf o r e 锄a sar i g i db o d yi sr e a s o n l e s s t h e t h i n k i n go fd i v i d i n gf o r e a n n i n t ot 、v or i g i d b o d i e si sa m m e d 3 w a i k i n gp a c ea db a l a n c ec o r i 打o la r ei n v o l v e di nt h ew a l k i n gp r o c e s s w a l k i n gp a c e a 工1 ds u p p o r tp h a s ea r ea n a l y z e da n da n i c u l a t i o nm o v e m e n tp a r a m e t e r sa r ed e s i g n e db ys t e p m a t h e m a t i c sf i m c t i o n s ，a 1 1 df z yr u l ec o n t a i l l e ri sc o s t r u c t e dt oa d j u s ta r t i c u l a t i o na 1 1 9 l ef o r b o d yb a l a n c e 4 t h ed y n a m i c ss i m u l a t i o no fw a l k i n gp r o c e s si sc o m p i e t e ds u c c e s s f u l l y t h ef a c t u a l d a t ao fh u m a nw a l k i n gi su s e df o rv e r i f y i n gt h es i m u l a t i o nd a t a a tl a s tt h em o d e l i n g t h i n k i n gi sp r o v e dt ob ea c c o r d a n tw i t ha n a t o m ya t l dm u l t i - b o d yd y n a m i c s k e yw o r d s ：a d a m s ；h u m a nb o d y ；m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n 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h a n a v a n 模型将人体划分成1 5 个刚体 段，各段之间用球铰连接。还有一些复杂模型则用l7 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w o jc i e c hb l a je r a 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1o 刚体人体简化模型“。 x i a o d o n gz h o u 等用一个12 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 a y o u b 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 。 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 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h a tze 。2 0 世纪7 0 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。19 8 1 年他又发表了跳远研究的论文，建立了一个由17 段刚体4 6 块肌肉组成的4 2 个自由度的模型来模拟跳远动作。f r a n kc a n d e r s o n 等利用10 段、5 4 块肌肉、2 3 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g e n t a r ot a g a 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、2 0 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。n a o m ic h io g ih a r a 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。 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。 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。 人的运动主要是依靠四肢来执行的，所以本文在研究整个人体时着重研究 人体上肢、下肢，运用美国m d i 公司开发的多体系统动力学分析软件 m s c a d a m s 建立了人体上肢动力学模型和运动仿真的虚拟环境，并且运用模糊 三至三些奎兰三兰堡! ：兰堡篁兰 控制理论研究了人体平衡控制器，最后针对动力学逆问题，对模型进行了仿真分 析，研究了人体运动与力的关系，主要从以下几方面着手研究： 1 对人体各个体节和关节进行剖析，建立了人体动力学模型。 2 人体运动仿真需要在一定的环境下进行，所以需要建立人体的运动环 境。 3 在模型的仿真中，双足步行理论和技术是其关键技术，其关键问题是步 态规划和平衡理论，是本文的难点之一。 4 对人体行走进行仿真分析，并且分析了实际测量数据与仿真计算结果。 1 3 2 研究方法 本文运用机械系统动力学分析软件a d a m s ( a u t o m a t icd v n a m ica n a lv sis o fm e c h a n i c a ls ys te m ) ，采用虚拟样机技术，将多体系统动力学的建模方 法与大位移、非线性求解功能相结合，具有交互式图形环境和部件库、约束库、 力库，应用直观简便方法建立三维机械系统参数化模型，可对机械系统进行静力 学、运动学和动力学等分析，主要用于估计机械系统性能、运动范围、碰撞分 析、干涉检测以及计算峰值载荷等方面的研究。利用a d a m s 软件可以构造人体 的多体系统模型，进而建立整个人机系统的模型，实现人机系统的运动仿真研 究。 对应于上一节所讲的研究内容，为了使人体模型更加符合现实生活中的 人，本文从人体解剖学的角度，详细的分析了人体四肢的各个骨骼、关节，选取 了身高l8 0 c m 的男性为研究对象，对其各个部分的长度、高度和质量作了详细 的测量，并且根据多体动力学原理，运用m s c a d a m s 建立了一个虚拟的人体模 型和一个虚拟的人体运动环境。为了解决人体行走中的平衡问题，本文从模糊逻 辑控制理论出发，分析了人体行走的步态，建立了行走过程中人体行走的数学模 型，运用m a t l a b 7 0 设计了平衡逻辑控制器，嵌入到m s c a d a m s 软件中，实现 了仿真运动中人体的平衡。 1 4 本文总体结构 在人体建模中，为了使建立的模型更能符合人体运动的生物力学，文章从 人体解剖学着手，分析了人体各个部分的结构，并以身高1 8 0 c m 的男性人体为 第一章绪论 参考，对各个部分进行了测量，利用所测量的数据，建立了人体模型。由于人体 的运动需要在一定的环境下进行，所以本文还根据实际情况，建立了一个简单的 人体运动环境。为了解决人体在步行中的重心平衡问题，本文运用模糊控制理 论，并结合m a t l a b 7 0 ，设计了模糊规则器。最后，文章对所建立的模型进行 了仿真分析，并通过测试与比较，对所设计的模型进行了优化，使所建立的人体 动力学模型的仿真运动更加接近实际人体的运动。图卜1 为本文的总体框架 图。 图卜1 文章总体结构图 f i gl lt o t a ls c h e m e o ft h i sp a p e r 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章人体结构分析 为了正确描述人体的形态结构和位置关系，必须使用统一的标准和描述用 语。”。 1 面 ( 1 ) 矢状面( s a g i t t a lp l a n e ) ：按前后方向将人体分为左右两部分的纵 切面。 ( 2 ) 额状面( f ro n t a lp l a n e ) ：按左右方向将人体纵切为前后两部分， 其断面为冠状面。 ( 3 ) 横切面( t r an sv e r sep l a n e ) ：按与身体长轴垂直的平面，将人体 横切为上下两部分。 2 轴 ( 1 ) 垂直轴( v e r t ic a la x is ) ：为上下方向垂直于水平面，与人体长轴 平行的轴。 ( 2 ) 矢状轴 ( 3 ) 冠状轴 3 方位 ( 1 ) 上和下 ( 2 ) 前和后 面的为后或背侧。 ( s a g i t t a la x is ) ：为前后方向与人体长轴相垂直的轴。 ( f r o n t a la x is ) ：为左右方向与上述两轴相垂直的轴。 ( s u p e r io ra n din f e r io r ) ： ( a n t e r io ra n dd o s te r io r ) 近头的为上，近足的为下。 ：近腹面的为前或腹侧，近背 ( 3 ) 内侧和外侧( 【i l e d i a la n dl a te r a l ) ：靠近正中面的为内侧，反之 为外侧。 ( 4 ) 浅和深( su p e r f ic i a l a n dd e e p ) ：接近身体表面和器官表面者为 浅，远离的为深。 ( 5 ) 内和外( in te r n a la n de x te r n a l ) ：凡属空腔器官，在腔内的为 内，腔外的为外。 ( 6 ) 近侧和远侧( p r o x i m a la n dd is t a l ) ：接近躯干的为近侧，远离的 为远侧。 ( 7 ) 胫侧和腓侧( t ib i a la n df i b u l a r ) ：即小腿的内侧和外侧。 ( 8 ) 尺侧和桡侧( u l n a ra n dr a d ia 1 ) ：即前臂的内侧和外侧。 第二章人体结构分析 从解剖学的角度看，人体是由骨、骨连接和骨骼肌组成，成人约占体重的 6 0 ，全身骨借关节连成骨骼，构成坚硬的人体支架。在运动中，骨起杠杆作 用，关节是运动的枢纽，骨骼肌是运动的动力器官。 2 1 人体主要骨骼 骨骼构成人体支架，支撑着人体，在外形上决定人体的比例、结构和体型 人体骨架，骨是一种器官，成人共有2 0 6 块骨，按部位可分为躯干骨、颅骨和 四肢骨。其中躯干骨5 1 块，颅骨23 块，上肢骨6 4 块，下肢骨6 2 块，另外还 有6 块听小骨”。其中在人体运动中起主要作用的骨骼为：头，脖子、椎骨、 肩胛骨，肱骨，桡骨、尺骨、髋骨、股骨、腓骨、胫骨、椎骨、颅骨，见图2 一 】。 图2 一1 人体的主要骨骼和主要关节 f i g2 1t h em a i nb o n e sa n da r t i c u l a t i o n s 骨按形态可分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨四类3 ： 广东工业大学工学硕士学位论文 1 长骨：呈长管状，有一体两端，体称骨干，两端膨的的部分称骺，主要 分布于四肢，如肱骨、股骨等。 2 短骨：呈短立方形，多成群分布，如腕骨、跗骨等。 3 扁骨：呈板状，主要构成颅腔、胸腔和盆腔的壁、起保护作用。 4 不规则骨：形状不规则，如椎骨等。 2 2 人体主要关节 2 2 1 人体关节类型 骨与骨之间由结缔组织连接，形成人体骨架，骨头互相连接的地方称为关 节。根据骨连接形式可分为三种：不动的关节、稍动的关节和活动的关节，本文 主要研究四肢的关节：肩关节、肘关节、腕关节、髋关节、膝关节、踝关节等。 根据关节面的形状和关节运动的方式等，全身关节可分为球窝关节、鞍装 关节、滑车关节和椭圆关节等类型。 1 球窝关节：关节头呈球体状，关节窝较浅，头与窝相接处松弛，可做屈 伸、收展、回旋和环转运动，运动幅度大，是最灵活的一种关节。 2 鞍状关节：两关节面呈马鞍状，并做十字形交叉结合，可做屈伸和内 收、外屈运动。 3 滑车关节：关节头呈滑车状，另一骨为相应的窝，可做屈伸运动。 4 椭圆关节：关节头是椭圆体的一部分，关节窝为椭圆形的凹面，可做屈 伸、内收、外展运动。骨与骨之间借以相连的结构称骨连结，分直接连接和间接 连结( 关节) 两大类。 2 2 2 直接连结 骨与骨之间借纤维结缔组织、软骨或骨直接相连，其间没有腔隙，稳固， 活动性较小，这种连结称直接连结，可以分以下三类： 1 纤维连结：借纤维结缔组织相连结，包括韧带连结和缝。 2 软骨连结：借软骨相连，如椎间盘和耻骨联合等。 3 + 骨性结合：借骨组织相连，如髂骨、坐骨、耻骨在髋臼处的骨性结合 等。 第二章人体结构分析 2 2 3 间接连结 间接连结即关节，又称滑膜关节，由骨与骨之间借膜性结缔组织囊相连而 成，相对骨面分离，活动性较大，是骨连结的最高分化形式。关节的运动形式： 关节基本上是沿着管状轴、矢状轴和垂直轴而运动。 1 屈和伸：是相关关节的两骨围绕冠状轴的运动。相关关节的两骨角度变 小为屈，反之为伸。 2 内收和外展：是骨围绕矢状轴的运动，向身体正中面靠近为内收，反之 为外展。 3 旋转：是骨绕垂直轴的运动，骨的前面向内侧旋转称旋内，向外侧旋转 称旋外。在前臂，掌心转向内的运动称旋前，反之称旋后。 4 环转：是骨绕冠状轴和矢状轴的复合运动。环转运动时，骨的近端在原 位转动，远端做圆周运动。 2 2 4 上肢骨及其连结 人体上肢包括肩部、上臂、前臂和手。肩部有锁骨和肩胛骨，上臂有肱 骨，前臂有尺骨和桡骨，手部有腕骨、掌骨和指骨，见图2 2 所示。 上肢骨的连接主要有胸锁关节、肩关节、肘关节、前臂骨连接和手部的连 接。 1 胸锁关节由胸骨的锁切迹和锁骨的胸骨端构成。 2 肩关节是上肢最大的关节，由肩胛骨的关节盂和肱骨头相接而成，为典 型的球窝关节，关节囊薄而松弛，并能与上肢带关节一起运动，为人体最灵活的 一个关节，可作屈、伸、内收、外展、旋内、旋外以及环转等多种运动。 3 肘关节是一个复合关节，包括肱尺、肱桡和桡尺近侧三个关节。肱尺关 节由肱骨滑车与尺骨滑车切迹构成，肱桡关节由肱骨小头与桡骨头凹构成，桡尺 近侧关节由桡骨的环状关节面与尺骨的桡切迹构成，由于桡骨周围的环状韧带将 其固定，只允许桡骨做旋转运动，在功能上与桡尺远侧关节联合运动。这三个关 节紧密相贴被包裹在一个关节囊内，有一个共同的关节腔。整体看，肘关节阻肱 尺关节为主体，与肱桡关节共同作屈、伸运动；桡尺近侧关节和肱桡关节一起使 前臂作旋内、旋外运动。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 2 人体上肢关节运动 f i g2 2t h ea r t i c u l a t i o nm o v e m e 兀to fh u m a nu p p e rl i m b s 4 前臂骨借桡尺近侧关节、桡尺远侧关节和前臂骨间膜相连，桡尺远侧关 节由桡骨尺切迹及关节盘与尺骨头构成，桡尺近、远侧关节联合运动，可使前臂 做旋前、旋后运动。前臂骨间膜为坚韧的结缔组织膜，连与桡、尺骨体的相对 缘。当前臂两骨处于旋前或旋后位时，骨问膜松弛：当前臂两骨处于半旋前或半 旋后位时，骨间膜紧张。 5 手关节包括腕关节、腕掌关节、掌指关节和手指关节。腕关节由桡骨腕 关节面和侧面的三角关节盘组成的关节窝，同上列腕骨的近侧面的关节头构成； 属椭圆关节，关节囊松弛，关节腔宽大，四周有韧带加固。此关节的动作很灵 活，可做屈、伸、内收、外展及环转等运动。 2 2 。5 下肢骨及其连接 相对于上肢骨来说，下肢骨一般较粗大，下肢骨分为下肢带骨和自由下肢 骨。下肢带骨即就骨l 块，自由下肢骨包括股骨、髌骨、胫骨、腓骨各1 块， 跗骨7 块，跖骨5 块和趾骨14 块，每侧计3 1 块，共6 2 块。 l o 第二章人体结构分析 展开 脚底弯 图2 3 人体下肢关节运动 f i g2 3t h ea r t i c u l a t i o n o v e m e n to fh u m a n l o w e r l i m b s 下肢骨的连结主要有骨盘、髋关节、膝关节和足关节等，下肢的关节运动 见图2 3 。因下肢的功能主要为行走、支撑，故下肢骨的连结较上肢骨复杂而牢 固。骨盘具有保护盘腔脏器和承受、传递重力的作用。 1 盘骨的连结：主要有骶髂关节、耻骨联合和一些重要的韧带等。骶髂关 节由骶骨耳状面构成，关节面凹凸不平，使两骨结合紧密，又有关节囊坚韧、骶 髂骨间韧带、骶髂前韧带和骶髂后韧带加强，因而其运动幅度极小。耻骨联合由 两侧的耻骨联合面借耻骨间盘连结而成，耻骨问盘内往往有一纵形裂隙。骶骨与 坐骨之间有骶结节韧带和骶棘韧带，两韧带将坐骨大切迹和坐骨小切迹分别围成 坐骨大孔和坐骨小孑l 。 2 髋关节 ( 1 ) 组成：由髋臼与股骨头构成。 ( 2 ) 构造特点：髋关节股骨头较小，髓臼较深，关节周围有髋臼唇加深其 深度，因而髋臼可容纳股骨头的2 3 。关节囊厚而坚韧，周围有许多强劲的韧带 加强，如髂股韧带，同时还有许多肌腱加强。关节囊的内上端附着于髋臼的周 缘：外下端附着于股骨颈，在前面达转子问线，包裹股骨颈前面的全部，在后面 则仅包裹殷骨颈的内侧2 3 。 ( 3 ) 运动形式：栽关节为多轴性关节，可做屈、伸、收、展、旋内、旋外 和环转运动，运动幅度较肩关节小，但其稳固性较大。 3 膝关节是人体最大，结构最复杂的关节。 ( 1 ) 组成：膝关节由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成。 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 构造特点：关节囊宽而松弛，各部厚薄不一，前壁有髌骨和髌韧带； 囊内有前、后交叉韧带，前交叉韧带可防止胫骨前移，后交叉韧带可防止胫骨后 移；囊外有胫、腓侧副韧带和髌韧带加强；膝关节内还有内侧半月板、外侧半月 板，内侧半月板较大呈“c ”形，外侧半月板较小呈“o ”形。半月板方面加 深了关节窝，加强了膝关节的稳定性，另一方面还可同股骨内外侧髁一起对胫骨 内外侧髁做旋转运动，因而也加大了膝关节的灵活性，同时还有弹性缓冲作用。 ( 3 ) 运动形式：膝关节主要做屈、伸运动，在膝关节半屈位时，可做小幅 度的旋转运动。 4 胫、腓骨的连结：上端有胫腓关节，下端有韧带连结，两骨干间有小腿 骨问膜。小腿两骨连结紧密，几乎不能运动。 5 距小腿关节：又称为踝关节。 ( 1 ) 组成：由胫骨和腓骨下端的关节窝与距骨上面的关节头构成。 ( 2 ) 构造特点：关节头、关节窝的形态均呈现出前宽后窄的特点，关节囊 前后薄而松弛，两侧较厚，并有韧带加强。内侧韧带为一强韧的三角形韧带，又 名三角形韧带，外侧韧带较薄弱，足过度内翻时易导致扭伤。 ( 3 ) 运动形式：踝关节主要做屈( 跖屈) 和伸( 背屈) 运动。跖屈时还可 做轻度的内收和外展运动，亦可与距下关节、距跟舟关节配合进行足内翻和足外 翻运动。 6 本文未对人体的脚指关节做详细的研究，只是把它作为一个整体进行研 究的，所以在这里不需做详细的分析。 2 3 人体的主要运动肌 人体的肌可分为骨骼肌、平滑肌和心肌，本文主要研究与人体运动系统有 关的骨骼肌，骨骼肌的形态多样，按其外形分为长肌、短肌、扁肌和轮匝肌四 种。长肌主要分布于四肢，收缩时长度明显缩短，可引起大幅度运动。短肌小而 短，主要分布于躯干，呈明显的节段性，收缩幅度较小。扁肌主要分布于胸、腹 壁浅层，除运动外还有保护内脏的功能。轮匝肌呈环形，主意分布于孔，裂周 围。在神经系统的支配下骨骼肌收缩，以关节为枢纽牵拉骨产生运动动作，是人 体运动的动力源。下面介绍一下人体主要运动肌的作用，见表2 1 。 第二章人体结构分析 表2 一1 人体主要运动肌 t a b l e2 1t h em a i nm u s c l e so fh u a nb o d v 部位名称 主要功能 上肢肌 肩肌上臂外展、前屈或后伸、内收和内旋 臂肌屈伸前臂、前臂旋后上臂前屈、内收 ( 未包含手肌) 前臂肌屈前臂、前臂旋前、前臂旋后、屈伸腕、屈伸指 下肢肌 髋肌屈伸髋关节、大腿外展、外展外旋大腿 大腿肌屈大腿、屈伸小腿、内收外旋大腿、屈伸髋关节 ( 未包含足肌) 小腿肌足背屈、内翻、伸指、背屈足、屈小腿 躯干肌 背肌 ( 未包含腹肌和 ( 背阔肌) 上臂后伸、内收及内旋 胸肌 盘底肌) 内收、内旋及屈上臂 ( 胸大肌) 2 4 本章小结 本章从人体解剖学的角度，研究了正常人体形态结构，分析了人体的主要 运动骨骼、关节和肌肉，说明了它们在运动中各自的功能，为下一章的人体动力 学建模提供了理论依据。 广东工业大学工学硕士学位论文 第三章人体动力学模型的建立 建立人体动力学模型需要考虑人体的空间几何形状、构造、连接以及它的 物理属性。描述人体模型的参数主要包括：人体总体尺寸与各部位的尺寸、质 量、惯量和体积等参数，各种组织器官的密度、杨氏模量和泊松比等。人体建模 的过程主要包括： 1 确定人体模型的组成部分，包括各部件( 器官) 、约束( 关节) 及其几何 外型等。 2 取得描述人体模型的空间方位、几何及运动物理参数等各种数据。 3 确定全局坐标系，组装模型，并使各部件的局部坐标简化，便于分析计 算。 4 对人体模型初步校核，消除尺寸误差，限定各关节的运动范围。 5 对人体模型添加附加约束、力和运动，并将其应用于具体问题中进行分 析研究。 3 1 在a d a m s 中建立地面环境 作为大型机械系统动力学仿真分析软件、虚拟样机建模与仿真的平台。运 动环境的生成也是a d a m s 的基本功能。区别于虚拟现实对视景生成的要求， a d a m s 视景并不要求所生成的环境图像要有足够逼真和自然，能够给人以假乱真 的感觉，但是，在a d a m s 中，虚拟环境的三维几何尺寸必须能够最大限度的反 映工程中真实环境相应的三维几何尺寸与位置关系。这主要是从工程的实际需要 出发，对于环境视景的显示，a d a m s 是为机械设计及制造服务的，并不像虚拟现 实是为了在数字实践活动和真实世界一样逼真的视景感受，a d a m s 的环境图像只 是要求在计算机上表达工程意义上的真实世界。a d a m s 环境显示的重点在软件能 够准确反映视景中的物体的几何形状与位置关系。 所以，a d a m s 的视景显示功能并不十分强大，但也有具有简单的渲染、消 隐等功能，而这些功能也足够我们运用了。 本文通过a d a m s 的简单的建模功能，建立一个比较简单的地面模型，对于 复杂的地面模型，可以运用c a d 软件建模。然后通过设定模型材料的y o u n g m o d u l u s 、p o iss o nsr a t i o 和d en s i t y 来确定建立的路面的属性，并将该模 第三章人体动力学模型的建立 型设为地面物体，由此就建立好了地面模型。图3 一l 为建立好的人体运动的地 面环境模型。 图3 一l 地面环境模型 f i g3 1t h eg r o u n de n v i r o n m e n tm o d e l 3 2 人体模型几何数据的获取 对于人体建模的几何数据，可以通过很多方法可以取得： 1 直接测量：直接测量人体样本的数据，这是一种比较直观也很原始的方 法，对于人体简单的几何模型，可以很方便的通过测量取得，但是对于比较复杂 的形状，测量起来就比较繁琐，必须通过先进的仪器和测量手段才能取得。 2 反求图像：随着计算机的发展，通过图像的角度、光照等等，运用专门 的软件直接计算物体的各个几何尺寸。这种方法比较简便，在缺少高级测量仪器 时，这是一种很好的测量手段。 广东工业大学工学硕士学位论文 本文主要采用直接测量法，对人体的各个体节的几何尺寸和物理属性进行 了测量。 3 3 人体多体模型 a d a l s 提供了一些建模模块，可以直接通过这些模块直接建模，对于人体 中一些非常复杂的部分，由于a d a m s 的建模功能暂时还比不上一些c a d 软件， 这样a d a m s 就提供了一些c a d 软件接口，方便c a d 模型的导入。所以我们为了 得到比较逼真的模型，有些复杂的模型是在c a d 软件u g 的环境下建立的。 在一般的运动中，人体的活动主要体现在人体的四肢上，所以本文把人体 分为上肢，下肢和躯干以及脖子和头部几个部分来进行研究。本文把人体表示成 刚体是基于以下几个假定： 1 在每一节中，骨骼和软组织都被认为是刚体； 2 总体上，软组织变形不会很大地影响每一节的机械特性。 另外还有一个假定是根据人体各个部分的几何形状，把个部分模拟成类似 的具有规则形状的几何模型。 3 3 1 上肢刚体模型 体节肱骨尺骨桡骨手 刚体几何形状圆柱体圆柱体圆柱体六边形体 f，n x ( c m ) 5 2j u3 0 y ( c m )3 1 825 8 2 5 83 o z ( c m )5 23 03 0 质量( k g ) 1 9 4 90 7 7 50 7 750 4 5 1 i ”g ( k g c m2 ) 14 0 8 4 412 80 012 8 0 05 2 2 8 i7 g 。( k g c m2 )l4 0 8 4 4 12 8 0 0l2 8 0 05 2 2 8 i2 。g ，( k g c m2 )l8 10 41 4 8 8 1 4 8 82 8 0 9 关于上肢刚体模型，很多文献把上肢看成是上臂、前臂和手组成的三刚体 模型，本文通过对人体上肢结构的分析认为：如果把前臂看成一个刚体，这对研 究臂部运动学、瞬间平衡状态和前臂做纯粹的展开弯曲运动己经充足了，然而， 对于比较全面的臂部动力学仿真尤其是快速翻掌产生的前臂惯量和受力情况，只 甜 曲 的数b参_ 巨型，嚣雪l体0人0 ， 体 卜 专|表 i 阳仆 卜【里 能作一个大致的估计，为了使研究更加接近于实际，就必须至少使用两个部分来 建模。因此这里认为上肢是由四个刚体上臂，前臂根据桡尺骨分为两个刚 体，以及手组成的，其中上臂与躯干。表3 一l 为本论文建模时的下肢刚体的参 数。 3 3 2 下肢刚体模型 从第二章的结构分析可知，髌骨在人体运动中人体下肢可视为三个部分： 大腿、小腿和足，是用髋、膝、踝三个关节连接起来的开式运动链，由于髌骨非 常小，在建模认为是与小腿的连于一体。表3 2 为本论文建模时的下肢刚体的 参数。 表3 2 人体下肢刚体模型参数 t a b l e3 2t h ep a r a m e t e r so fh u m a 兀l o w e rl i m b sr i g i db o d ym o d e l 体节大腿小腿脚 刚体几何形状平截体平截体多边形体 x ( c m )x = 12 8 ，x = 9 ox = 9 o ，x = 6 4 y ( c m ) 4 2 43 7 o7 o z ( c m ) x = l2 8 ，x = 9 ox = 9 o ，x = 6 4 质量( k g ) 6 9 l03 9 5 42 1 2 6 1 1 。g i ( k g c m2 ) 10 7 0 9 6 05 6 8 6 2 3l o o 14 3 i 。g 。( k g c m2 ) 1 0 7 0 9 6 05 6 8 6 2 38 9 4 0 3 i2 。g ，( k g c m2 ) l5 6 18 75 2 3 73 0 9 6 8 3 3 3 躯干、脖子和头模型 表3 3 人体躯干、脖子和头刚体模型参数 t a b l e3 3t h ep a r a m e t e r so fh u m a nt r u n k n e c k h e a dr i g i db o d ym o d e l 体节躯干脖子头 刚体几何形状 圆柱体椭圆体 x ( c m ) 椭圆体与多边形体的布尔组合 6 o16 0 y ( c m )8 o2 1 4 z ( c m )6 o1 6 o 质量( k g ) 4 4 2 5 31 3 0 15 0 8 2 i 。g 。( k g c m2 ) l4 6 0 5 7 6 825 9 3 8 3 12 0 工。g 。( k g c m2 ) 12 5 1 1 1 0 52 5 93 82 7 3 l i 。g ，( k g c m2 ) 4 13 2 9 4 6 71 8 5 0 01 6 15 广东工业大学工学硕士学位论文 人体躯干无法用a d a m s 中的基本体素直接建模，但是可以利用a d a m s 中的 逻辑关系和一些其它特征共同建立，为椭圆体与多边形体的布尔组合。头的几何 形状比较规则，可以看作是一个椭圆，可以直接用a d a m s 主工具箱中的球 ( s p h e r e ) 建模。脖子几何形状为圆柱体。 3 4 人体的关节铰 关节作为人体运动的枢纽，所以对人体关节的建模至关重要，在a d a m s 中，根据人体关节的运动自由度，可以用球铰、万向节和转动铰代替。 3 4 1 上肢骨关节铰 表3 4 上肢关节约束角度 t a b l e3 4t h er e s t r i c t e da 兀g l eo fu p p e rl i m b sa r t i c u l a t i o n 关节名称肩关节尺肱关节桡尺关节腕关节 角0 | |中h1 l r | eu0r 由，vw 轴z 。x 1 【y i 【zuzrx 。y ， 最小值 一4 0 o 1 0 0 。一9 0 o 一14 0 。+ 0 。一7 0 。一10 。 最大值 + 1o o o + 5 0 o + 9 0 o + 0 。+ l8 0 o + 7 0 。3 0 o 从上肢结构分析可知，上肢的一些主要关节在运动时回转中心会有微小的 游离，如果考虑的话就会增加建模的复杂性，而且这些游动对整个上肢的运动影 响微乎其微。，所以本文建模时是把大部分上肢关节当成是理想的球或窝关 节，让它们对应的骨骼能够围绕三个垂直轴旋转，并使这些关节旋转中心都尽可 能符合关节解剖学原理，而且调整了关节结构使其中一个轴沿着所对应的骨头的 纵轴方向。上臂相对躯干的运动由胸锁关节、肩锁关节和肩关节三个关节的联合 运动组成。然而，锁骨和肩胛骨都嵌入身体躯干的肌肉里以至很难把它们设 计一个等量的刚体。更何况，它们都被周围的肌肉紧紧包围，所以通常认为它们 的运动类似于静止。基于以上原因，在手臂运动分析中忽略了它们的影响，并把 它们的机械特性归结到肩关节，将肩关节简化为球铰。由于前臂的运动是围绕着 肱尺、肱桡和桡尺三个关节进行的，建模时，肱尺关节和桡尺关节定义为铰链， 肱桡关节定义为球铰，这样就可以使前臂围绕三个关节定义的两个旋转轴执行， 铰链只能围绕一个通过它们中心的轴旋转和肱桡关节中心旋转。在腕关节桡骨连 第三章人体动力学模型的建立 接关节简化为万向节。各个关节所受到的约束角度在文献 1 8 1 9 中已有研 究，见表3 4 。 3 4 2 下肢骨关节铰 表3 5 下肢关节约束角度 t a b l e3 5t h er e s t r i c t e da n g l eo fl o w e r l i m b sa r t i c u l a t i o n 关节名称角度范围 髋部关节x 轴方向 一12 0 0 e 15 o 膝关节x 轴方向 oo 0 ：13 5 o 踝关节方向 一3 0 0 0 ：3 0 0 髋部关节z 轴方向一3 0 0 中5 0 0 髋部关节y 轴方向一4 0o 66 0 o 下肢建模设计是模型能否实现步行及步行质量好坏的关键所在，它对整个 模型从结构到控制，直至功能、质量和效率具有很大的影响。下肢建模中关节结 构是关键，人体髋关节具有三个自由度，与人体主躯干相连，可以用球铰连接； 膝关节由胫骨一股骨和髌骨一股骨关节组成，这样膝关节就成为胫骨和股骨相咬 合的关节“。膝关节和踝关节都只要有一个自由度，可以转动铰连接。在实 际的人体膝关节中，膝关节的半月板可以同股骨内外侧髁一起对胫骨内外侧髁做 旋转运动，因此在膝关节到踝关节，还有一个向内外旋转的自由度，本文考虑到 这个这个自由度可以通过髋关节的转动来实现，所以就未作分析。表3 5 为下 肢关节约束角度。 3 4 3 躯干、脖子和头的连结 人体躯干非常复杂，如果分析躯干的各个关节，那么动力学建模的的难度 很大，而且在通常的运动中，躯干各个关节的运动并不像人体四肢那样频繁，所 能实现的功能也不如人体四肢关节实现的功能多。本文建模时基于以上观点，没 有详细分析躯干的各个关节，而是把躯干作为一个整体来研究，这样就大大简化 了建模