人体动力学模型及仿真研究.pdf

基于ADAMS人体动力学下肢建模与仿真

前言

人体生物力学研究的是一个多学科交叉的新兴领域,它涉及到机

械人机构学、运动学、动力学、人体解剖学、外科学(专门是骨科)、

摄影测量学、测试技术和运算机辅助设计等多方面的知识。研究人体

动力学的建模和仿真，获取有关运动、力学数据，对指导机电产品设

计、运动康复机械设计等具有重要意义。为了知足人们的需要和平安，

在一些实验中必需模拟人体作为实验对象。为了保证人体的平安和新

设备的研发，因此在人体运动仿真研究中需要将人体作为某种程度的

抽象，这种抽象既要尽可能反映人体的真实情形，又要易于实现。人

体模型是车辆设计、动力学分析和效劳型机械人设计与仿真的基础，

为设计用的人体模型属于人体几何学/运动学模型，它还为动力学分

析与仿真提供了必要的几何特性；为分析与仿真用的人体模型属于多

体系统动力学模型。人体动力学模型是多体系统动力学在生物力学方

面的必威体育精装版研究功效，已在国外车辆动力学分析与仿真领域取得工程应

用。若是从建模的方式来看人体模型种类能够分为以下两种。从仿真

角度建模—人体仿真模型（目前主若是指运用运算机仿真软件进行人

体多体仿真建模）；从力学角度建模—动力学模型。

一、历史进展及现状

1.运动生物力学的国内外进展现状

有关生物体运动的力学问题很早就引发了人们的注意，早在15

世纪末，意大利科学家LeonardoDaVinci研究了人体的各类姿势和

运动，第一提出了“一切能够运动的生物体都遵循力学定律而运动”

的重要观点。随着生命科学、力学和运算机技术的飞速进展，一门以

研究人体力学行为特点为主的学科一运动生物力学诞生了。

运动生物力学作为一门学科，它的产生与进展，在我国还只有不

到60年的历史。直到70年代后期，随着体育科学的全面进步和高

科技的渗入，运动生物力学才真正活跃起来，并迅即进展成为体育科

学体系中最表现现代高科技水平的学科之一。考察并分析运动生物力

学的进展进程，在欣喜于运动生物力学已取得长足进步的同时,咱们

还不能不承认，运动生物力学的理论基础是不完善的，在这方面的

科学研究也几无进展。

人体运动分析是最近几年来运算机视觉领域中备受关注的前沿

方向之一，是今世生物力学和运算机视觉相结合的一项重要技术，具

有十分广漠和重要的应用领域，它在机械人学、仿生机械学、智能操

纵、人机交互、运动分析和虚拟现实等领域都有着普遍的应用。建模

是研究人体运动的核心，目前的建模方式包括：有限元分析，多刚体

动力学，肌肉一骨骼建模，振动力学，运动学建模和实验等方式。

多体系统动力学的核心问题是建模和求解问题，其系统研究开始

于20世纪60年代。从60年代到80年代，偏重于多刚体系统的研

究，主若是研究多刚体系统的自动建模和数值求解。

到了80年代中期，多刚体系统动力学的研究已取得一系列的功

效，尤其是建模理论趋于成熟，但更稳固，更有效的数值求解仍然是

研究的热点。

80年代以后，多体系统动力学的研究更偏重于多柔体系统动力

学，那个领域也正式被称为运算机多提系统动力学，而且至今仍然是

力学研究中最有活力的分支之一，但已远远超过了一样力学的含义。

二、人体运动学的研究

运动学(kinesiology)是理论力学的一个分支学科,它是运用几何

学的方式来研究物体的运动,要紧研究质点和刚体的运动规律。运动

学为动力学、机械原理(机械学)提供理论基础,也包括自然科学和工程

技术等多个学科所必需的大体知识,包括物体的运动在空间和时刻等

方面的不同。

人体运动学是研究人体活动科学的领域。是通过位置、速度、加

速度等物理量描述和研究人体和器械的位置随时刻转变的规律或在

运动进程中所通过的轨迹，而不考虑人体和器械运动状态改变的缘

故。在研究人体运动时，是以牛顿力学理论为基础的。在运动生物力

学中，把人体简化为质点、质点系、刚体和多刚体系等力学模型，而

使研究的问题大大简化。可是人体是生命体，因此在研究人体运动学

时，还要尽可能地考虑人的生命特点，才能正确地研究人体的运动。

生物力学是研究生物体机械运动的规律，和力与生物体的运动、

生理、病理之间关系的学科为生物力学。研究运动中人体和器械运动

力学规律的学科，为运动生物力学。

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