人体下肢多体动力学仿真和步态稳定性实验研究

人体下肢是人进行步行运动的主要工具,下肢的肌肉骨骼系统是步行的执行机构,正常的下肢功能保证了人们的日常活动;下肢损伤会引起人们运动障碍,下肢运动障碍康复者虽然具有行走的能力,但是其稳定性和平衡性较差。本文着眼于人体下肢,总结并阐述了人体下肢多体动力学仿真以及步态稳定性的实验研究进展,展望了其发展趋势,旨在为临床康复治疗及康复设备的设计与开发提供帮助与数据支持。

人体下肢有限元动力学分析模型的建立和验证

为了研究行人碰撞事故中人体下肢的生物力学响应和损伤机理,建立了一个人体下肢有限元模型.模型按人体解剖学结构建立,由髋骨、股骨、胫骨、腓骨、膑骨、足骨、韧带、腱、关节囊以及髋关节、膝关节和踝关节构成.采用了壳单元和线性弹簧-阻尼单元来模拟骨骼和软组织.模型的边界和载荷条件根据汽车行人侧碰撞实验条件确定.通过比较仿真和实验在横向碰撞载荷条件下的剪切、弯曲响应结果,验证了模型的生物逼真度.分析了在不同加载条件下有限元模型的生物力学响应和应力分布,以及与下肢损伤风险的关系。

人体下肢有限元模型构建及着袜舒适性分析

选择人体下肢为研究对象,以袜对人体下肢的压力舒适性为研究目标,采用CT图像建模法建立人体下肢小腿部分的模型,选择相应骨骼肌组织的生物力学模型建立本构关系,建立骨肌生物组织有限元模型,以此分析着袜对人体下肢的压力分布变化状态的量化指标和具体形态,为着袜压感舒适性的研究提供基础数据.

人体下肢机械式膝关节运动分析

20世纪前半期,以美国为代表的工业发达国家对人体下肢假肢技术开展了大规模地研究,为下肢假肢的理论和实践奠定了基础。特别20世纪70年代后期,世界各工业发达国家对机械式假肢结构不断改进,人工膝关节(腿)研制得到很大的发展。近年来由于以人体生物力学和生物医学工程解剖学研究为基础,将现代先进的微电子技术、计算机控制技术、机械设计与制造技术、新材料技术以及康复医学工程等学科交叉融合在一起,研究并开发出各种人工膝关节,使膝关节运动协调、步速随意变化、步态更加自然,能像健康的人腿一样行走自如。人体下肢假肢机械式人工膝关节如何实现膝关节的功能分析机械式人工膝关节在支撑期如何实现假肢的支撑稳定性以及在摆动期如何实现膝伸展肌和屈曲肌的作用,使人工膝关节运动形式得到有效控制的方法。

人体下肢应激微反应自动识别

由于现有的动作识别方法不能直接用于人体微反应动作识别,本文基于人体下肢微反应动作特点,构建了一种时空金字塔韦伯局部描述子并设计了基于字典学习的人体下肢微反应自动识别算法。该方法利用时空金字塔韦伯局部描述子提取每一类人体下肢微反应动作特征,使用主成分分析法对特征降维;然后,建立每一类动作子字典并将子字典串联形成总的动作字典;最后,通过实验分析了金字塔级数L,降维后每类动作特征维数d_(PCA),每类动作子字典原子个数n_(Atom),以及稀疏阈值C等参数对识别结果的影响,并确定最优参数值L=3,d_(PCA)=30,n_(Atom)=40,C=10。实验结果表明,提出的算法对10种人体下肢微反应动作的识别率均在0.83~0.91之间,平均识别率达到0.86,高于其他动作识别算法。设计的算法更适用于人体下肢微反应动作分类,并可有效提高分类识别率。

人体下肢动力学建模与仿真研究现状

本文综述国内外人体下肢动力学建模与仿真的最新研究情况,并对其做出趋势展望。建模方法主要有Newton-Euler方法、Lagrange方法和Kane方法等,分析方法主要有多刚体动力学分析法和有限元分析法。对人体进行合理的动力学建模并获得切合实际的仿真结果,对人体康复训练器械和智能假肢的研制具有重要的指导意义。

虚拟现实验证仿真多路况下人体下肢行走状态

背景:在智能下肢假肢控制器的研究过程中,无论采用肌电信号还是运动与动力学信息相结合等方式识别路况,其结果都通常抽象难懂。目的:从直观运动学分析的角度说明不同路况之间的异同,并利用虚拟现实技术对多种路况场景进行建模和仿真以使识别结果形象化、直观化。方法:用Simulink下的机械建模模块Simmechanics搭建人体下肢模型框图并进行输出运动学分析,比较各种路况下运动学信息的异同,结合虚拟现实工具箱建立多路况场景,用运动学信息驱动虚拟模型运动,完成不同路况的验证仿真。结果与结论:直观利用运动学信息区分多种路况有一定的局限性,需结合其他手段或信号;虚拟现实工具箱能很好地再现数据所对应的运动场景。仿真结果表明,虚拟现实建模方法能够真实形象再现人体下肢在平地、斜坡以及楼梯的行走状况,使数据所反映的运动状态不再单调抽象,使识别结果形象化,可作为验证路况识别结果的手段,为智能假肢模式识别工作提供了一个良好的验证显示平台。

人体下肢动力特性的人机工程学实验装置的研究

作者提出一种对人体下肢动力特性进行人机工程学实验的方法和装置，它可以精确地测量人在实验室中骑行自行车时的二维蹬踏力及其与蹬踏位置的关系。作者用该实验装置对被测试者进行了实验，据此作出被测试者的一系列力特性曲线。

Kinect体感技术在人体下肢康复训练系统的应用研究

为克服现有下肢肌肉康复训练存在的不足,文中结合老年人肌肉功能衰退状况,运用模式识别方法开发一种基于Kinect的下肢体感式肌肉康复性训练系统。利用Kinect骨骼追踪技术获取人体下肢姿态、动作的三维坐标数据,计算出关键关节夹角组成特征向量,解决以往人体行为再现中采用关节点三维坐标描述人体姿态所存在的准确度与代表性不高的问题。通过静态与动态的人体下肢数据采集建立标准姿态、动作训练数据库,依据相似性匹配算法与设定阈值的DTW算法实现实时识别,并判断训练者姿态、动作。通过系统中预设的识别评判指标给予训练者及时的训练指导提示,以保证训练判别的一致性与稳定性。与依赖机械、人工的下肢肌肉训练的传统方式相比,文中训练系统在便捷性、动作评判和性价比等方面都有显著的优势。

人体下肢三摆多自由度模型

目的多数人体下肢运动方程在处理简单问题时存在过于复杂的问题。方法本文基于多刚体系统原理,将人体下肢系统简化为三摆多自由度模型,利用拉格朗日函数和哈密顿定理推导出人体下肢系统的动力学方程。结果以人体测量学数据为依据进行模拟计算,将模拟计算得到的人体下肢各部分的运动参数与通过实测得到的人体下肢数据进行比较后发现,二者在绝大多数指标上较为相似。结论说明推导出的方程具有一定的准确性,可以对人体下肢系统的运动特性进行简单的趋势分析和低精度计算。

基于OpenSim的人体下肢生物力学性能仿真实验

强化人体生物力学性能分析能力有助于提高学生处理外骨骼机器人研究过程中解决人机共融技术问题的技术手段。该文以助力型外骨骼机器人为研究背景,基于OpenSim仿真平台提出了一个人体下肢生物力学性能分析实验教学方案,以技术层、输入层、模型层和输出层体系结构为视角,梳理出由人体下肢运动信息采集到生物力学性能分析的实验仿真流程。使用OpenSim软件建立人体下肢参数化肌骨模型,经由逆运动学和逆动力学求解器获取下肢运动过程中的关节角与关节力矩,为助力型外骨骼的助力机制研究提供数据支撑。

人体下肢静态蹬力矩阵的实验研究

本文提出了一种测量人体下肢静态蹬力矩阵的实验方法及其实验装置，并在此装置上进行了大量实验。基于大量实验数据的分析，对人体下肢在一垂直平面内的发力及其与下肢各关节角的关系进行讨论，得出初步结论。

助力型人体下肢外骨骼研究综述

以助力型人体下肢外骨骼为主,对近些年四大组成系统——外骨骼控制系统、驱动系统、机械系统、感知系统的研究成果进行分类总结与分析。通过研究分析获得了较为适用于助力型人体下肢外骨骼的结构尺寸、结构自由度、驱动器选择方案、控制策略及传感器选择方案等成果,能够为外骨骼的研究者提供参考。

大范围运动过程中人体下肢动作捕捉系统设计

传统的人体下肢动作捕捉系统能够对人体进行快速的动作捕捉,但是由于动作幅度较大不能在大范围的运动过程中对下肢关节进行动作捕捉。针对上述问题,设计了一种大范围运动过程中人体下肢动作捕捉系统。在硬件处理上采用新型的BOT-6765连续动作捕捉系统,使用待换机的层次运行结构改变传统的捕捉选定的结构过程,提升了动作捕捉过程的测量范围,同时减小了捕捉过程中背景虚设的帧,有效地提高了人体下肢动作捕捉过程的清晰度。软件上建立了简化模型,保证捕捉过程中的准确性,同时能够提高捕捉范围,优化了人体关节角的运算,人体下肢关节是捕捉过程的关键所在,优化后的关节运算存储量小、捕捉准确,避免计算误差的产生。为了验证设计的大范围运动过程中人体下肢动作捕捉系统的有效性,设计了对比仿真实验,通过实验数据的分析,有效地验证了设计的大范围运动过程中人体下肢动作捕捉系统的有效性。

人体下肢膝-踝关节智能仿生控制装置设计

为使人体下肢假肢尽可能接近正常人的步态行走模式,设计了以数字信号处理器(DSP)为控制核心的下肢假肢膝-踝关节柔性仿生控制装置,以便改善下肢假肢的功能性、灵活性与可用性;设计采用生物电传感器采集患者下肢残段的生物电信号,同时检测速度及加速度传感器的信息,经多通道信号运算放大滤波后,进行模数转换,将数字信息输入DSP微处理器进行步态分析与决策,DSP输出的PWM信号对电机进行控制,进而控制假肢的膝-踝关节的全时相角度、力学及运动学参数。

基于IMU和Kinect的人体下肢动作捕捉算法的研究

Kinect传感器在进行人体下肢关节定位时,因数据噪声多、深度数据不匹配、环境复杂等因素影响,导致出现局部位置信息丢失的情况,为此,提出了一种基于四元数的改进算法,通过使用低成本的惯性测量单元(IMU)来对Kinect传感器的异常数据进行判别与修正。使用改进后的四元数法对髋关节、膝关节和踝关节进行位置解算,以进一步提高解算结果的准确度,简化繁琐的实验流程。通过实验数据的对比发现:改进后的四元数算法可以让复杂的实验过程得以简化,关节角度的均方根误差(RMSE)相较于改进前的算法减小了约0.175;在IMU与Kinect传感器数据相结合后,能够很好地对其异常数据进行修正。

维医沙疗人体下肢热调节模型

目的建立适合沙疗实际的人体下肢热调节模型,为维医沙疗的研究工作提供理论依据。方法综合考虑沙疗情况将人体下肢进行分节段、分层处理,对于每一层建立具体的热平衡方程,针对沙疗热调节模型给出合理的生物传热方程,对传热方程的每一项给出沙疗模型,分析沙疗时的换热方式,并对下肢各层进行模拟计算。结果从模拟计算结果可知随着沙体温度增加,人体热调节作用更加明显。越靠近体核,下肢各层温度随沙体温度升高的变化越小,体核温度基本保持恒定。结论从生物传热的角度建立了人体下肢热调节模型,为推广维医沙疗具有理论意义和实用价值。

慢跑运动人体下肢多关节运动控制策略分析

目的分析慢跑运动人体下肢多关节运动控制策略。方法应用Kistler三维测力台与Vicon红外运动捕捉分析系统采集12名受试者慢跑时运动学和动力学数据,进行慢跑二维矢状面内下肢多关节互动动力学的计算,应用力矩方法分析力距成分。结果支撑期,膝关节与踝关节的肌肉用力最大,髋关节的肌肉用力较小;摆动期,髋关节的肌肉用力明显>膝关节和踝关节;随着运动速度的提升,髋、膝、踝关节各力矩分析指标的差异有统计学意义(P<0.05)。结论在慢跑的不同步态阶段,因为动作的不同,下肢各关节的运动控制策略也存在差异性。

人体下肢动作仿真综述

对国内外人体下肢运动建模仿真的研究情况进行了综述。人体下肢的数学模型主要分为运动学模型和动力学模型,人体下肢的运动仿真方法分为正向动力学和逆向动力学两种,现对其发展历程和研究进展进行了详细介绍,最后对人体下肢运动建模仿真的发展进行了讨论。

爆炸冲击载荷下的人体下肢生物力学响应与损伤防护研究

战场中反装甲车辆地雷和简易爆炸装置产生的车底爆炸冲击载荷严重威胁乘员下肢损伤,充分认识爆炸冲击载荷下的人体下肢响应,进而制定有效防护策略至关重要。因此,研究不同冲击载荷下的人体下肢生物力学响应和分析不同脚垫设计对下肢损伤的防护性能。