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基于神经-肌骨-外骨骼耦合仿真框架的平地和上坡行走动力学分析
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作者 靳葳 刘佳奇 +1 位作者 张琦炜 方虹斌 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期817-831,共15页
评估人体穿戴外骨骼后的运动性能是指导外骨骼硬件迭代和控制策略优化的重要依据.与传统的基于实验的评估相比,基于人-外骨骼耦合系统动力学仿真的评估避免了平台搭建和实地测试、实验数据分析处理的巨大人力和时间成本.此外,如将人体... 评估人体穿戴外骨骼后的运动性能是指导外骨骼硬件迭代和控制策略优化的重要依据.与传统的基于实验的评估相比,基于人-外骨骼耦合系统动力学仿真的评估避免了平台搭建和实地测试、实验数据分析处理的巨大人力和时间成本.此外,如将人体神经肌骨动力学纳入人-外骨骼耦合系统,动力学仿真还能够生成肌肉激活、肌肉力和关节力矩等实验中难以测量的生理学和生物力学信息,从而可以从肌肉发力的层面评估不同环境下穿戴外骨骼对人体运动的影响.本研究以人体肌骨-髋关节外骨骼耦合系统为研究对象,基于考虑人体神经肌骨动力学、足地接触和人-外骨骼交互作用的完整神经-肌骨-外骨骼耦合正向动力学仿真框架,对系统在平地和上坡(5.71°,10%)两种场景以0.8 m/s步速行走的动力学进行了比较研究.通过给定模型中的神经肌肉反射参数,综合考虑系统运动状态、肌肉收缩动力学、肌骨运动学、肌肉代谢、不同环境下的地反力和人机交互力等因素,并采用协方差矩阵自适应进化策略进行分阶段多目标优化,可以在不需要实验数据输入的条件下,高效完成全系统的动力学仿真.计算结果表明,所提仿真框架不仅能够生成包括肌肉激活、肌肉力、关节力矩和关节角度在内的完整生理学和生物力学信号,还能够反映和解释不同肌肉的激活模式随步行环境的适应性变化.此外还在与仿真情况一致的步行条件下进行了人体穿戴外骨骼行走测试,并进一步将肌肉激活数据与测得的肌电信号对比.结果表明,仿真与实验的肌肉激活结果保持了较高的相关性,并呈现出相对于地形坡度基本一致的变化规律;在上坡行走时,腘绳肌、臀大肌、髂腰肌和比目鱼肌的肌肉激活程度的RMS值均显著高于平地行走的情况,而股直肌与胫骨前肌的肌肉激活程度的RMS值则有所下降.上述结果表明,提出的动力学仿真框架可以在无实验数据输入的条件下有效且准确地捕捉在不同地形中行走时肌肉激活模式的定性差异.本研究为人体肌骨-外骨骼耦合系统在多场景下的行走仿真与性能评估提供了新的途径,也为外骨骼设计与控制策略的优化提供了理论参考和仿真分析方法. 展开更多
关键词 下肢动力外骨骼 动力学建模 人机动力学 肌肉骨骼模型 肌肉激活
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三维人体解剖模型结合CBL教学法在下肢骨折临床教学中的应用
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作者 胡兴华 刘洁 刘强 《现代医院》 2024年第8期1298-1301,1305,共5页
目的探究三维人体解剖模型(3D-body)结合以案例为基础的教学法(CBL)在下肢骨折临床教学中的应用效果。方法选取赣南医科大学附属兴国医院的2023年9月—2024年4月临床医学专业本科实习生48名作为研究对象,按照随机数字表法分为研究组24... 目的探究三维人体解剖模型(3D-body)结合以案例为基础的教学法(CBL)在下肢骨折临床教学中的应用效果。方法选取赣南医科大学附属兴国医院的2023年9月—2024年4月临床医学专业本科实习生48名作为研究对象,按照随机数字表法分为研究组24名、对照组24名。对照组实施传统的下肢骨折教学方法,研究组实施3D-body结合CBL教学方式,比较两组教学前后考核成绩、批判性思维能力(CTDI-CV评分)、教学评价的差异。结果相较于教学前,实习生教学后理论成绩、临床实践技能成绩均升高,且研究组教学后理论成绩、临床实践技能成绩较对照组更高(P<0.05)。相较于教学前,实习生教学后认知成熟度得分、开放思想得分、寻求真相得分、系统化能力得分、信心得分、求知欲得分、分析能力得分均升高,且研究组教学后批判性思维能力(CTDI-CV评分)较对照组更高(P<0.05)。研究组教学吸引力、手术方案制定能力、对典型骨折认识深度、教学满意度较对照组更高,对外架操作所需操作练习次数较对照组更低(P<0.05)。结论3D-body结合CBL教学应用于下肢骨折临床教学具有较好效果,可有效提高考核成绩与教学评价,利于实习生批判性思维能力形成。 展开更多
关键词 下肢骨折 三维人体解剖模型 以案例为基础的教学法 临床教学
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一个解剖基人体下肢的生物动力模型──第一部分:模型描述 被引量:9
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作者 王西十 白瑞蒲 +2 位作者 S.TurgutTurner NuriAkkas UgurGunel 《力学与实践》 CSCD 北大核心 2000年第1期40-44,共5页
建立了一个完整的解剖基人体下肢二维(矢状面内)生物动力模型.该模型仿真了人体下肢的生物动力运动,并可用来计算人体下肢在冲击外载荷或肌肉活性力的作用下,下肢的重要承力部位──膝关节处的结构力(包括:膝关节的咬合接触力、... 建立了一个完整的解剖基人体下肢二维(矢状面内)生物动力模型.该模型仿真了人体下肢的生物动力运动,并可用来计算人体下肢在冲击外载荷或肌肉活性力的作用下,下肢的重要承力部位──膝关节处的结构力(包括:膝关节的咬合接触力、膝关节处四个主要韧带张力等)和人体下肢的肌肉群力;同时本模型也可用来计算人体下肢在运动期间,膝关节处的咬合位移以及膝关节和髋关节的屈伸位移等.另外,模型还为研究人工关节、人工韧带和人工肌肉以及它们的受伤与重建等提供了一种新的途径. 展开更多
关键词 人体 下肢 现象模型 解剖模型 生物动力模型
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六连杆助行机构的动力学分析及仿真研究 被引量:3
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作者 伊蕾 张立勋 于彦春 《中国康复医学杂志》 CAS CSCD 北大核心 2010年第7期662-666,共5页
目的:研究六连杆助行机构帮助老年人及偏瘫患者行走过程中人机系统的动力学特性,为选择不同的行走训练模式提供理论依据。方法:用闭环矢量法建立机构运动学方程,基于动力学矩阵数学模型及拉格朗日方程建立人机系统的动力学方程,并根据... 目的:研究六连杆助行机构帮助老年人及偏瘫患者行走过程中人机系统的动力学特性,为选择不同的行走训练模式提供理论依据。方法:用闭环矢量法建立机构运动学方程,基于动力学矩阵数学模型及拉格朗日方程建立人机系统的动力学方程,并根据人体特征参数及机构参数,通过MATLAB软件对助行过程中系统的动力学特性进行仿真分析。结果:仿真结果验证了动力学模型的正确性,分析了被动运动时约束力作用点的选择对人机间作用力及机构驱动力矩的影响。结论:动力学模型为人机作用点的选择、不同行走训练模式的制定及相应控制方式的选择提供了理论依据。 展开更多
关键词 助行机构 人体下肢 动力学模型 仿真
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下肢步行康复训练机器人的人-机耦合力检测 被引量:3
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作者 沈林勇 章亚男 +2 位作者 钱晋武 徐柳伶 文忠 《电子测量技术》 2012年第12期14-18,共5页
针对患者主动参与的步行康复训练,利用牛顿-欧拉法建立了患者与外骨骼机械腿的动力学模型,推导出提取患者下肢主动力的简化模型。在此基础上,设计了用于测量人-机耦合力的装置,并在实验样机上进行了加载3组不同质量产生的惯性作用耦合... 针对患者主动参与的步行康复训练,利用牛顿-欧拉法建立了患者与外骨骼机械腿的动力学模型,推导出提取患者下肢主动力的简化模型。在此基础上,设计了用于测量人-机耦合力的装置,并在实验样机上进行了加载3组不同质量产生的惯性作用耦合力的在线测量实验和一个步态周期内加载了3组患者模拟主动作用力的测量实验,获得了最大标准差为0.208N实验结果数据。实验数据表明,该装置能满足用于在线测量人-机耦合力的测量精度要求,以及康复训练中基于动力学模型的患者主动作用力测量的可行性,该测量方法和装置为实现下肢步行康复训练机器人的患者主动参与康复运动的外骨骼机械腿的主动控制建立了基础。 展开更多
关键词 外骨骼机械腿 动力学建模 人-机耦合力 力测量
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下肢外骨骼系统摆动相非线性干扰观测器设计 被引量:1
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作者 陈玲玲 宋晓伟 +1 位作者 王婕 张腾宇 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第12期1994-2000,共7页
针对下肢外骨骼在运行过程中,穿戴者提供的主动力矩不确定问题,本文进行了基于干扰观测技术的摆动相控制方法研究。利用拉格朗日原理对简化后的实物模型进行动力学分析,建立下肢外骨骼摆动相模型。考虑模型的非线性、强耦合特征设计滑... 针对下肢外骨骼在运行过程中,穿戴者提供的主动力矩不确定问题,本文进行了基于干扰观测技术的摆动相控制方法研究。利用拉格朗日原理对简化后的实物模型进行动力学分析,建立下肢外骨骼摆动相模型。考虑模型的非线性、强耦合特征设计滑模控制器,基于干扰观测器对穿戴者的主动力矩进行估计,实现对滑模控制器的补偿,并对观测器/控制器综合设计的闭环系统稳定性进行证明。搭建下肢外骨骼控制系统仿真平台进行髋关节和膝关节的角度控制。实验结果证明,所设计的闭环系统对期望角度具有良好的跟随能力,可以有效抑制干扰的影响。 展开更多
关键词 下肢外骨骼 人机共驱动系统 摆动相 动力学建模 干扰观测器 滑模控制 仿真验证
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Construction and visualization of high-resolution three-dimensional anatomical structure datasets for Chinese digital human 被引量:7
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作者 LI AnAn LIUQian +3 位作者 ZENG ShaoQun TANG Lei ZHONG ShiZhen LUO QingMing 《Chinese Science Bulletin》 SCIE EI CAS 2008年第12期1848-1854,共7页
The objective of the China Digital Human Project (CDH) is to digitize and visualize the anatomical structures of human body. In the project, a database with information of morphology, physical charac-teristics and phy... The objective of the China Digital Human Project (CDH) is to digitize and visualize the anatomical structures of human body. In the project, a database with information of morphology, physical charac-teristics and physiological function will be constructed. The raw data of CDH which was completed in the Southern Medical University is employed. In Huazhong University of Science and Technology (HUST), the frozen section images are preprocessed, segmented, labeled in accordance with the major organs and tissues of human beings, and reconstructed into three-dimensional (3D) models in parallel on high performance computing clusters (HPC). Some visualization software for 2D atlas and 3D mod-els are developed based on the new dataset with high resolution (0.1mm×0.1mm×0.2mm). In order to share, release and popularize the above work, a website (www.vch.org.cn) is online. The dataset is one of the most important parts in the national information database and the medical infrastructure. 展开更多
关键词 数学人体 解剖学 可视化 分辨率
原文传递
踝关节外骨骼人机耦合动力学与助力性能分析 被引量:4
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作者 高钰清 靳葳 +1 位作者 徐鉴 方虹斌 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第12期3496-3512,共17页
踝关节在人体下肢运动过程中提供了最大的关节力矩,因此在下肢增强型外骨骼的研究中,踝关节外骨骼受到了重点关注.穿戴外骨骼的人体的行走是典型的动力学问题,但目前人机耦合动力学的相关研究还处于早期阶段.本文以绳驱踝关节外骨骼为... 踝关节在人体下肢运动过程中提供了最大的关节力矩,因此在下肢增强型外骨骼的研究中,踝关节外骨骼受到了重点关注.穿戴外骨骼的人体的行走是典型的动力学问题,但目前人机耦合动力学的相关研究还处于早期阶段.本文以绳驱踝关节外骨骼为研究对象,融合机器人正运动学方法和拉格朗日方程建立了考虑足-地交互力、人体关节力矩和外骨骼力矩的人-机耦合动力学模型.模型中,足-地交互力由Kelvin-Voigt模型结合库伦摩擦模型描述,人体关节力矩由基于粒子群优化的PD控制生成,外骨骼期望力矩由上层控制器依据人体步态周期确定.通过基于模型的动力学仿真,本文从人体踝关节角度、踝关节力矩、踝关节功率和踝关节做功多个角度系统分析了踝关节外骨骼对人体行走的助力效果.研究表明,在2.0 km/h到6.5 km/h的人体步行速度下,穿戴外骨骼可以实现至少24.84%的人体踝关节平均力矩下降和至少24.69%的踝关节做功下降.本文也开展了基于SCONE平台的肌肉骨骼建模和预测仿真.仿真结果表明,在3.6 km/h的步行速度下,穿戴外骨骼可以有效降低比目鱼肌的激活度峰值,并使肌电信号的RMS值下降了6.21%,从而从生理学的角度证实了踝关节外骨骼的助力效果.本文的结果进一步完善了人体下肢-外骨骼耦合系统的动力学建模和分析方法,从动力学和生理学角度证实和解释了踝关节外骨骼对行走的助力机制,也为今后下肢外骨骼的实验研究提供了理论支撑. 展开更多
关键词 下肢动力外骨骼 动力学建模 人机动力学 肌肉骨骼模型 肌肉激活度
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底部爆炸条件下车内乘员损伤风险仿真评估 被引量:2
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作者 王波 何洋扬 +2 位作者 聂冰冰 许述财 张金换 《清华大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第11期902-909,共8页
在近年来发生的几场局部战争中,地雷及简易爆炸物造成了大量人员伤亡。为了解车辆底部爆炸条件下车内乘员的损伤特点,构建了包含乘员、车体结构及爆炸流场的仿真模型,研究了车辆乘员身体主要部位损伤风险。利用LS-DYNA的流固耦合算法求... 在近年来发生的几场局部战争中,地雷及简易爆炸物造成了大量人员伤亡。为了解车辆底部爆炸条件下车内乘员的损伤特点,构建了包含乘员、车体结构及爆炸流场的仿真模型,研究了车辆乘员身体主要部位损伤风险。利用LS-DYNA的流固耦合算法求解爆炸流场与车体结构的相互作用,分析了爆炸冲击的传递路径及乘员典型运动姿态。基于人体有限元模型,以6 kg及8 kg TNT 2个爆炸当量工况为研究对象,对车辆乘员头部、脊椎、骨盆及下肢等身体部位进行损伤风险评估。仿真结果表明:对于佩戴安全带的乘员,其足踝部及胫腓骨损伤的风险最高,其次为骨盆及胸腰椎。研究结果可为车辆防护设计提供参考,从而提高乘员安全性。 展开更多
关键词 汽车安全 生物损伤力学 车辆底部爆炸 下肢 人体有限元模型
原文传递
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