基于ADAMS的人体下肢运动仿真

论文摘要

人体运动的计算机仿真是研究人体运动规律的有效手段,是当代生物力学和计算机视觉相结合的一项重要技术。人体建模与仿真研究是虚拟现实发展的一个重要内容,研究人体的建模和仿真,获得相关的数据,对运动员的训练、伤亡保护、临床医学及运动康复器械设计等有重要意义。近年来,人体运动仿真研究正逐渐引起各方人士的关注,是值得研究的一个课题。论文以人体解剖学的知识为基础,根据多体动力学的相关知识,用动力学方法对人体下肢运动进行了仿真。本文首先用动力学软件ADAMS建立了简化了的人体下肢大腿和小腿的咬合模型。在下肢建模中,由于髌骨非常小,在建模中认为是与小腿连于一体,把下肢简化成股骨和胫骨,中间由膝关节相连,由于股骨和胫骨在形状上都近似像圆柱,就被模拟成圆柱刚体。然后对引起人体大腿小腿屈伸和旋内旋外运动的肌肉根据功能进行了分类,并对其起止点的数据信息在不影响人体正常运动效果的前提下进行了简化处理。通过对肌肉模型的比较分析,文中采用的是张力—长度—速度的肌肉模型。最后,把简化后的肌肉以两点力的形式加入到下肢运动模型中,运用ADAMS的运动学和动力学分析功能,对下肢的肌肉—骨骼模型进行几种常规动作的仿真,研究人体下肢各个关节在运动过程中力和力矩的变化规律。运用ADAMS建立的人体下肢运动的可视化模型,充分考虑到了人们对运动理解的视觉需求,因此对实验结果的辅助分析具有很好的作用。通过对相应的仿真结果进行分析,证实了所建模型的正确性,为寻求合理的仿人机构的设计提供了方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 运动生物力学的国内外发展概况
• 1.3 人体模型的国内外研究现状
• 1.4 人体运动仿真的意义
• 1.5 论文研究内容及结构安排
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 结构安排
• 第2章 人体下肢解剖结构及运动仿真基础
• 2.1 基本术语
• 2.1.1 人体的标准解剖学姿势
• 2.1.2 方位术语
• 2.1.3 人体的面
• 2.1.4 人体的轴
• 2.2 人体下肢骨及其连结
• 2.2.1 人体下肢骨
• 2.2.2 下肢骨的连结
• 2.3 下肢关节的运动
• 2.3.1 髋关节的运动
• 2.3.2 膝关节的运动
• 2.3.3 踝关节的运动
• 2.4 人体运动仿真基础
• 2.4.1 人体运动机理
• 2.4.2 人体运动坐标系的选择
• 2.4.3 人体运动的描述
• 2.4.4 人体模型的关节结构分析
• 2.5 人体运动仿真实现方法
• 2.6 本章小结
• 第3章 人体下肢骨骼建模
• 3.1 多刚体系统动力学理论
• 3.2 多刚体系统动力学的研究方法
• 3.2.1 图论方法
• 3.2.2 最大数量坐标法
• 3.2.3 拉格朗日法（Lagrange）
• 3.2.4 凯恩法（Kane）
• 3.3 多刚体系统理论在人体运动仿真中的应用
• 3.4 仿真软件ADAMS简介
• 3.4.1 ADAMS基本模块的介绍
• 3.4.2 笛卡尔广义坐标系
• 3.5 人体下肢骨骼模型的创建
• 3.5.1 人体惯性参数的确定
• 3.5.2 人体下肢骨骼模型
• 3.6 本章小结
• 第4章 肌肉建模
• 4.1 人体肌肉解剖
• 4.2 研究肌肉机能的方法
• 4.3 肌拉力线的确定及其与关节轴的关系
• 4.3.1 肌肉的起止点和代起止点
• 4.3.2 肌拉力线的确定
• 4.3.3 肌拉力线与关节轴的关系
• 4.4 肌肉的协作
• 4.5 肌肉模型分析
• 4.5.1 肌肉的力—速度模型
• 4.5.2 Gordon的张力—长度模型
• 4.5.3 Huxley模型
• 4.5.4 采用的肌肉功能模型
• 4.6 本章小结
• 第5章 人体下肢肌肉骨骼模型及运动仿真
• 5.1 人体大腿的肌肉骨骼模型
• 5.1.1 大腿屈伸运动仿真
• 5.1.1.1 大腿屈伸运动肌肉数据的获取与处理
• 5.1.1.2 大腿屈伸运动仿真结果
• 5.1.2 大腿旋内旋外运动仿真
• 5.1.2.1 大腿旋内旋外运动肌肉数据的处理
• 5.1.2.2 大腿旋内旋外运动仿真
• 5.2 人体小腿的肌肉骨骼模型
• 5.2.1 下肢小腿相关肌肉的处理
• 5.2.2 下肢小腿屈伸运动仿真
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢