面向逆向动力学仿真驱动和验证的半蹲式跳伞着陆实验研究

目的半蹲式跳伞着陆模拟实验的设计和相关数据测量,为逆向动力学软件AnyBodyModelingSystem模型的建立、驱动和验证提供数据。方法根据逆向动力学分析数据驱动和验证的需要,受试者从0.32m高的平台跳落,模拟半蹲式跳伞着陆。对受试者下肢关节运动学参数、地面反力以及下肢4块主要肌肉的肌电图进行测量。结果受试者在与地面接触前后1s内,髋、膝、踝关节角度随时间的变化、右脚地面反力以及压力中心轨迹用来驱动模型;肌电活动性测量数据用来验证模型。结论实验设计可以满足肌骨模型分析的要求,并可用于对半蹲式跳伞着陆的进一步研究。

基于AnyBody的汽车驾驶中人体腿部逆向动力学仿真

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。

基于逆向动力学的步兵头盔舒适性数值分析

为了研究头盔对士兵头颈部肌肉活动的影响,建立了"盔—头—颈"肌骨模型。采用肌群激活程度作为头颈部舒适性评价标准,通过肌肉活动度最大/最小模型解决肌肉募集冗余问题,基于逆向动力学分析了头盔质量、质心位置和下颚带束紧力对头颈部肌群活动特性的影响规律。结果表明:在矢状面内,头盔质量和质心位置共同影响颈部肌群激活;在冠状面内,当头盔质量产生的附加侧弯力矩小于相应的阈值时,颈部肌群激活基本上不随头部质心位置的变化而变化;提高束紧力有利于增强头盔的跟随稳定性但增加了下颚肌群的激活程度。文中建立的"盔—头—颈"模型可以计算不同状态下肌肉激活程度的变化,头盔的设计和使用过程中可以采用该技术进行定量分析。

冲击载荷作用下运动员下肢动态响应的逆向动力学仿真

目的分析冲击载荷作用下羽毛球运动员下肢关节肌肉的动态响应变化。方法基于Any Body Modeling System软件建立人体肌骨模型,采用实测表面肌电信号进行验证,以运动捕捉系统和测力台测量数据进行模型驱动,对羽毛球右前场蹬跨步上网过程中下肢肌肉肌力、关节力和关节力矩进行逆向动力学仿真与分析。结果所建人体下肢肌骨模型经肌电信号验证有效。羽毛球蹬跨步上网过程中,髋、踝关节Z方向内力峰值显著高于X和Y方向内力峰值,而膝关节X方向内力峰值显著高于Y和Z方向内力峰值;缓冲期,髋关节X、Y、Z方向依次表现为内收力矩、伸髋力矩和内旋力矩,膝关节X、Y、Z方向依次表现为外展力矩、屈膝力矩、外旋力矩,踝关节X、Y方向依次表现为内翻力矩、跖屈力矩,且髋、膝、踝关节X方向力矩峰值显著高于Y和Z方向;股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌、腓肠肌内侧在对抗地面冲击载荷时的肌力发挥较大,股直肌、半膜肌、比目鱼肌发挥的作用相对较小。结论建立的下肢肌骨模型可为冲击载荷作用下运动员下肢生物力学特性分析提供技术平台。为避免运动损伤,类似羽毛球前场蹬跨步上网冲击动作中尤其要重视触地瞬间地面反作用力载荷对髋、膝、踝关节前后及内外侧方向生物力学性质的影响,同时在对羽毛球运动员进行专项训练时切勿忽视对股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌的专项力量发展。

黄牛在松软地面行走步态的逆向动力学分析

采用高速摄像技术,对黄牛在春耕前的水稻田上行走时肢体的运动形态进行了分析,得到了黄牛的步态参数。利用逆向动力学方法,建立了黄牛在水稻田上行走时的运动学方程。结合实例计算结果,分析了黄牛质心的位移、速度、加速度和土壤作用力的变化,讨论了黄牛在水稻田上行走时的运动特性。该方法为研究和设计松软地面步行机械的运动方式和步法协调提供一定的理论基础。

下肢惯性参数对逆向动力学计算的敏感性研究

文章旨在计算下肢环节惯性参数对逆向动力学计算结果的敏感性。以中国人体环节惯性参数模型为基础,人为地改变下肢环节惯性参数值的范围(±5%和±10%),结合运动学和动力学数据,分别进行逆向动力学计算。结果表明,大腿环节质心位置改变10%对髋关节力矩最大值的影响程度达到-0.49%到0.63%,对应力矩最小值的变化为-24.3%和18.47%;小腿环节质心位置改变10%对膝关节力矩和做功影响均接近0.4%,对较远的髋关节作用影响更弱;无论是大腿还是小腿,环节质量的敏感性要高于环节相对质心位置(P<0.05)。下肢惯性参数改变对逆向动力学计算结果的影响不可忽略,环节惯性参数对动力链较近关节影响最大,环节质量参数的敏感度显著高于环节相对质心位置参数的敏感度。

逆向动力学计算方法及提高计算精度的探讨

逆向动力学是运动生物力学中重要的研究方法,本文在总结逆向动力学计算发展的基础上,提出了通过提高影象解析度、直接测量约束反力及其作用点位置、直接测量环节运动的角加速度、修正关节点坐标、采用合适的模型及改进计算方法等措施提高计算精度。

基于逆向动力学的短跑下肢肌肉工作特征研究综述

逆向动力学是运动生物力学中重要的研究方法。本文从净肌力矩和关节功率模式、各环节能量产生、消散和传递、步态模拟等方面,对以往逆向动力学研究方法在短跑技术研究的应用进行了评述,并探讨了未来的可能探索方向。

AnyBody环境下人体步态的逆向动力学研究

为了分析人体步态运动中包含肌骨系统的下肢动力学特性,基于生物力学分析软件AnyBody建立一种包含肌骨系统的下肢运动模型。利用逆向动力学,在下肢运动关节等处设置运动控制点,以运动控制点三维坐标和地面支反力为驱动,完成了人体的正常步态仿真,得到了人体正常步态下的踝关节和膝关节的角度、力矩的变化曲线,分析了关节力矩与角度变化之间的关系;给出了比目鱼肌、缝匠肌、胫骨后肌和胫骨前肌在步态周期内的肌肉力和活性变化曲线,讨论了肌肉力和肌肉活性之间的关系。

基于逆向动力学的点射过程人枪动态响应研究

为研究人体对典型步枪点射冲击的响应和受力特性,建立了一种典型步枪人枪骨骼肌肉模型,采用三维运动捕捉系统获取的人枪运动作为模型驱动,进行了逆向动力学求解,获得了点射过程中人体运动和动力学响应数据,揭示了点射过程中冲击在人体中的传递与变化规律。计算结果表明:整个射击过程中,关节所受冲击力为右肩大于左肩、右肘大于左肘和左腕大于右腕,脊柱各关节在前后方向上受力差异不大;按步枪射击过程后坐—复进作用循环分段,后坐过程中,关节前后方向所受冲击作用力大于左右方向,关节力矩主要为外力矩;复进过程中,关节左右方向所受冲击作用大于前后方向,左右肘以屈伸肌肉力矩来响应;并进一步给出了点射过程中人体关键部位运动与受力量值及定量变化规律。

基于骨肌力学的人体髋关节逆向动力学仿真及分析

髋关节是人体最重要最复杂的关节之一,研究髋关节生物力学性能和评估治疗骨科疾病的植入物需要准确且符合实际的生理载荷环境,因此,深入研究髋关节在人体常见行为动作下的载荷工况具有重要意义。本文基于AnyBody软件平台对人体常见的典型行为动作进行骨肌建模和逆向动力学仿真,计算求解后分析人体双腿站立和步态运动时髋骨所受关节力及主要肌肉力的变化情况,得出的结果可为髋关节生物力学的相关研究提供支持帮助,所用的方法还可以应用到其它骨骼的研究上。

基于C3D数据的人体模型逆向动力学仿真分析方法

基于AnyBody人体建模仿真分析软件,采用试验得到的动作捕捉格式数据C3D文件,研究人体逆向动力学仿真分析方法,给出C3D驱动AnyBody人体运动仿真分析时的操作步骤、报错分析及其解决方案。仿真结果表明:人体模型基本参数设置、C3D参数设置、关键点的拟合和足底压力板参数调节是实现人体模型动态分析的关键,其能有效提高人体模型逆向动力学仿真精度。

3T1R解耦并联机构动力学与惯量耦合特性分析

对一种3T1R解耦并联机构的动力学性能及其惯量耦合强度进行了分析。对机构进行运动学分析,给出了机构的位置正反解方程,得到动平台的雅可比矩阵,推导了机构各构件的速度、加速度;基于牛顿-欧拉法,考虑构件重力以及外负载,建立了机构逆向动力学模型,并用ADAMS软件进行了仿真验证;基于所建的逆向动力学模型,分析了加速度和动平台姿态角对支链驱动力的影响;基于关节空间的惯量矩阵,建立了惯量耦合强度评价指标,分析了其在工作空间内的分布规律,并与降耦前Quadrupteron机构的惯量耦合强度进行了对比分析。结果表明,结构降耦不仅降低了支链间的耦合强度,而且整个工作空间内惯量耦合强度的分布更为一致,提升了机构动态性能的各向同性。

应用逆向动力学计算关节内力的可靠性分析

采用同步测力、测加速度和多机多分辨率摄像的技术,并对解析原始数据运用"积分平滑"等一系列手段,用以提高逆向动力学计算关节内力的精确性,并且与目前常规逆向动力学方法的计算结果相比较,探讨用这两种不同方法所得结果的可靠性。研究表明,当研究一侧肢体远侧环节受到较大外力作用时,只要测出外力与其压心位置,采用常规逆向动力学方法计算关节内力尚具有一定的可靠性;所采用的一些技术措施,能有效地提高计算的精确性和适应性。

一种位置正解符号化且运动部分解耦的新型2T1R并联机构动力学分析

三自由度并联机构具有结构简单、造价低、运动控制方便,以及刚度高、承载能力大等特点,目前在工业生产等设备中得到了广泛应用,而其中具有移动和转动混合运动的2T1R并联机构具有更高的研究价值。为了研发和推广2T1R并联机构,提出了一种零耦合度且运动部分解耦的空间2T1R并联机构。首先,对该机构的位置正反解进行了分析,并求解了各构件速度与输入速度之间的关系矩阵;然后,运用基于虚功原理的序单开链法,按照机构拓扑结构分解的顺序,分别建立了各子运动链(SKC)的动力学模型,从而得到了整个机构的逆向动力学模型;最后,对建立的动力学模型进行了算例研究,得到了机构的驱动力和2个SKC连接处的支反力,并将其与基于ADAMS的虚拟仿真结果进行了对比。研究结果表明:该2T1R并联机构具有部分运动解耦的优点,且通过仿真对比验证了所建立的逆向动力学模型的有效性和正确性,可为其结构设计和样机研制奠定基础。

基于端铣刀动态铣削力/力矩的新型混联机床逆向动力学仿真研究

混联机床是近年来并联机床发展的一个重要的趋势,清华大学和齐齐哈尔第二机床厂联合开发了一种新型混联机床.本文针对该机床进行了考虑铣削过程的新型混联机床的逆向动力学仿真研究,得到了端铣刀铣削参数对驱动力的影响规律.

平面8杆机构的动力学分析

基于运动学反解写出了平面三自由度８杆机构的位移、速度、加速度输入输出方程，再根据达郎怕原理和等效力原理导出了其动力学方程，分析了其正反两个方向的动力学方程的解法并分别给出了数值例。

短跑运动中下肢环节间互动动力学分析

目的从动作控制角度出发,探讨运动控制对提高短跑运动成绩以及预防运动损伤的可能影响。方法研究对象为8名国家级优秀短跑运动员(最好成绩:10.27s～10.80s),利用8台红外高速摄像系统(采样频率300Hz)与测力台系统(1200Hz)同步记录受试者在短跑最大速度阶段的运动学与动力学地面反作用力资料。根据逆动力学理论建立下肢多环节互动动力学模型,对短跑一个步幅的各种力矩进行量化分析。结果短跑支撑阶段地面反作用力矩是下肢各关节处的主要被动力矩,它在着地初期对膝关节产生一个较大的伸膝作用,腿后肌为抵抗此力矩的作用容易造成损伤。腾空阶段惯性力矩的作用非常明显,其最大值出现在摆动末期,腿后肌在被拉至最长的同时还需承受较大的惯性力矩负荷。结论支撑前期与摆动末期均有可能造成腿后肌损伤,腿后肌的肌力与损伤是限制短跑成绩提高的一项主要因素。

人体肌骨的多柔体系统动力学研究进展

人体肌肉骨骼系统简称肌骨系统,包括骨骼、骨骼肌与关节连接,其力学模型是典型的多柔体系统.从多体动力学角度研究肌骨系统,主要关注其在运动过程中的肌肉内力、关节力矩及产生的动力学影响,属于动力学与生物力学的交叉融合.肌骨系统的多体动力学模型已被广泛地应用于临床医学、竞技体育、军事训练、人机工程等诸多领域,其仿真结果可为提高人体运动能力、降低关节载荷与能耗、避免运动损伤、加快康复进程等提供重要计算参考数据.与此同时,上述研究亦对肌骨动力学研究提出了许多新挑战.本文综述了人体肌骨多柔体系统动力学相关研究进展,包括骨骼肌功能解剖与生物力学建模、神经与肌肉控制理论、肌骨系统动力学问题与求解方法,以及近年来肌骨多体动力学在步态分析、飞行员抗荷动作、口颌手术规划等领域的典型应用.与工程领域的机械多体系统相比,人体肌骨多体系统具有肌肉内力主动性与肌肉控制冗余性两大特征.现有骨骼肌模型难以同时考虑肌肉的解剖结构、三维几何与肌力产生的生物化学机制.已有大多数肌骨模型采用静态优化假设消除肌肉冗余性,忽略了肌肉与肌腱内力平衡及兴奋收缩耦联机制.此外,目前仍缺乏实现肌骨模型个性化的无创在体测试手段.未来,人体肌骨多体动力学研究将会向更精确、智能、个性化的方向发展,成为动力学与生物力学交叉的热点研究领域.

结合几何动力学卡通头发生成

提出了一种结合几何动力学的卡通头发生成方法。它包括头发的几何建模和动力学模拟两个部分。在几何建模阶段:用户导入一个头部模型,交互指定头发生长区域控制点和头发模型中心控制点,系统自动生成卡通头发的几何模型。在动力学模拟阶段:引入基于网格的逆向动力学实现卡通头发运动。实验结果表明:系统通过简单的用户交互能够制作出令人满意的卡通头发。