行走过程中人体下肢受力模型的建立与验证

为了准确、简便地对人体行走过程中下肢的受力进行分析,构建了一个新的人体下肢力学模型:将人体的上半部分简化成固结至臀部的重物,将大腿、小腿和足部简化成3个刚杆,将踝关节、膝关节和髋关节简化成铰接点,将肌肉作用力简化成4对作用在刚杆上的未知力。针对该模型建立了相应的动力学方程,能够对足部和小腿的运动受力进行完整的描述。通过高速摄像机和足底测力台获取受试者的运动学和动力学数据,并使用APAS处理系统对数据进行处理,用于对动力学方程的求解,由此获得了下肢的受力状态。利用表面肌电仪测量了人体行走时的下肢肌肉电位,利用肌肉电位与肌肉力同时增大的原理,在一定程度上验证了模型的可靠性。研究结果表明:该模型能够较为真实地反映出下肢膝关节与踝关节的受力情况,具有较高的生物逼真度,可望为人体下肢运动机理的研究和下肢运动装备的开发提供参考。     

基于AnyBody仿真及有限元建模下的八段锦运动生物力学研究

以AnyBody仿真骨骼肌多体逆向动力学三元素肌肉收缩力模型及有限元法构建八段锦动作的三维胫骨模型,全面、客观地计算不同动作最大肌力峰值时刻的积分肌电、力矩、肌肉收缩等生物力学特性. 将10例健康青年八段锦志愿者的身高、体质量、髋宽、髋深、膝宽、踝宽等形态学数据作为约束条件,用AnyBody7.1.2软件导出八段锦8个动作下肢最大肌力指标,依据胫骨最大应力约束条件,用Minics 10.01、Geomagic studio 2013、ANSYS 19.2软件建构三维数据,添加AnyBody中的3个方向数据,分析并计算不同动作最大力的应力传导大小、分布规律. 研究结果表明:八段锦是左右对称性运动,双侧同块肌肉积分肌电值、肌肉力值无显著性差异,有利于锻炼双下肢稳定性及协调性,运动中人体需要通过移动来保持平衡,膝关节在垂直轴方向力最大,伸展力矩值最大;做八段锦运动过程中,髋关节主导发力肌肉为臀中肌,膝关节主导发力肌肉为比目鱼肌、股外侧肌、腓肠肌,踝关节主导发力肌肉为拇长屈肌;表面肌电验证是评价人体肌肉激活程度的主要方式,八段锦运动中胫骨前肌、腓肠肌、股直肌、股二头肌的肌肉活性仿真结果与积分肌电值具有较高的一致性.以AnyBody软件分析下肢动作特征和有限元软件建构的胫骨模型,适用于八段锦动作的动态研究,可为计算八段锦运动时动力学变化提供新思路与实践价值参考.      

利用表面肌电信号的下肢动态关节力矩预测模型

为实现表面肌电信号的下肢关节力矩动态解码,建立了从表面肌电信号到关节力矩输出的人体下肢运动系统正向生物力学模型。首先,从幅值和频率两个角度建立表面肌电信号到骨骼肌激活程度模型;其次,根据肌丝滑移理论,构建反映骨骼肌生理结构和微观力学特性的肌肉力模型,同时确定活动肌肉拉力线方向及力作用点位移矢量,将骨骼肌力转换到关节力矩;最后,以牛顿-欧拉逆动力学方法获得关节力矩作为准确值,给出正向生物力学模型参数动态标定方法。在模型基础上,对4名对象进行随意步态下膝关节屈伸动态力矩预测试验,结果表明:所建模型对步态行走下的膝关节动态关节力矩具有很好的动态跟踪性能,最大绝对误差为(11.0±1.32)N·m,平均残差为(4.43±0.698)N·m,预测值与准确值之间的平均线性相关系数为0.927±0.042,验证了该方法的正确性和有效性;可为康复训练机器人人机协同过程中的力学交互模式研究提供接口。     

可穿戴型下肢助力机器人控制分析

对可穿戴型助力机器人控制策略进行分析.根据研究目的及人体结构和功能的特殊性和复杂性,通过将人体下肢作适当简化及必要的假设,提出基于骨-肌肉功能模型的下肢助力机器人控制方法,该方法通过对骨-肌肉模型中的弹性系数和阻尼系数的调节能为人体下肢运动提供助力支持.同时,通过人-机间交互力信息实现人体下肢的运动预判.     

汽车椅面倾角对驾驶员乘坐舒适性的影响分析

考虑到车用座椅椅面倾角变化对驾驶员乘坐舒适性的影响,开展了不同身材驾驶员在不同椅面倾角下的人体骨肌力学特性的仿真分析与实验测试.首先基于人体骨肌力学软件分别建立了第5,50,95百分位中国男性驾驶员在驾驶姿态下的骨肌力学模型;然后通过椅面倾角参数动态调整并结合相关性分析方法,描述了驾驶员下肢腿部不同肌肉的受力情况和激活程度;最后开展了真实驾驶员下肢肌肉肌电测试.结果表明,当座椅椅面倾角增大时,驾驶员的臀大肌、髂腰肌、半腱肌、股直肌、缝匠肌、腓肠肌、胫骨前肌肌肉激活程度较大,10°~16°为椅面倾角的理想变化区间.     

跑步运动下肢冗余肌力的优化求解和分析

研究跑步运动缓冲和蹬伸阶段的肌力分布情况.建立了三自由度9块肌肉的人体下肢平面运动仿真模型,在此基础上建立了冗余肌力的优化求解模型,即以最小化肌肉疲劳程度为目标函数,且满足动力学约束和肌肉自身参数约束,并利用基于乘子法约束处理方法的模拟退火算法进行了仿真计算.数值计算的结果定量地表明了跑步运动过程中9组肌力的变化规律及其对形成正常跑步动作所起的作用.该方法为在体育训练中有针对性的进行肌肉力量训练和改进技术动作提供了一定的理论基础,同时也可应用于求解其它类似运动的肌力分布.     

含神经控制的下肢肌骨系统正向动力学分析

为探讨运动生物力学建模与分析的基础性问题,以下肢步态为研究对象建立了包含神经兴奋肌肉收缩动力响应和肌肉肌腱动力特性在内的下支系统正向动力学分析模型,并针对自然步态的运动过程,采用参数最优化方法进行了模拟计算。计算结果与实验测量的比较表明:正向动力学方法可将肢体运动状态、肌肉收缩力、神经控制信号等联系起来,求解人体步态的控制模式。该文建立的模型和计算方法为下肢运动的模拟分析和人体冗余运动控制机理的研究提供了基本的分析工具。     

一种外骨骼式康复机器人训练效果仿真

针对外骨骼式下肢康复机器人训练有效性的问题,开展了基于人体生物力学软件Any Body的康复训练仿真实验研究.通过人体动作捕捉实验,获取一成年男子在正常步行时的运动学信息,利用Any Body建立人体步行模型,并以下肢肌肉受力情况为依据确定下肢主要肌肉群.建立人-机系统模型,借助Hill方程,以人体下肢肌肉收缩速率作为判断标准,通过模拟实现矢状面内运动的外骨骼式下肢康复机器人的康复运动,获取下肢主要肌肉的收缩速率变化情况,并将其与正常步行时的肌肉收缩速率进行比较与分析.结果表明,两种情况下大腿肌肉群的收缩速率变化情况基本一致,小腿与髋部肌肉群差异较明显.改进外骨骼结构,使其能够同时实现在冠状面内的运动,比较在两种结构下的下肢主要肌肉收缩速率变化情况,结果表明髋部肌肉产生了较为明显的波动.因此,能实现矢状面内运动的外骨骼式下肢康复机器人能够有效训练大腿肌肉群,但对小腿与髋部肌肉的训练效果不明显,加入冠状面运动后,能提高对髋部肌肉的训练效果.     

卧姿下肢康复训练运动生物力学特性

现有的卧姿康复机器人功能单一、使用率低。该文设计了仰卧踏车、仰卧抬腿、侧卧抬腿等典型卧姿训练动作测量实验，并基于OpenSim建立了卧姿肌肉骨骼模型，计算分析关节角度、肌肉激活度及其耦合关系，研究了卧姿康复训练时髋、膝、踝关节及其主要驱动肌群的变化规律，探讨卧床患者运动训练的康复机制，为相关康复机器人的运动功能设计提供了理论依据。结果表明：仰卧踏车具有更高的膝关节与踝关节活动度，但整体肌肉激活度表现较另2种动作偏低；其关节运动幅度越大，肌肉激活度越高。仰卧抬腿与侧卧抬腿分别对髋关节屈曲与外展活动度以及相关肌群有明显激活；抬腿速度越快，肌肉激活度越高，但相对于地面的水平位移量越大；抬腿角度变大时，肌肉激活度均值整体降低，相对于地面的水平位移量变大。该研究发现仰卧抬腿、侧卧抬腿、仰卧踏车运动对人体关节与肌肉的作用各有侧重，在临床上采用侧卧、仰卧等多种动作组合训练可以提高康复效果，康复机器人最好能提供更多的矢状面和冠状面康复训练功能。     

不同路况对人体下肢肌肉特征参数的影响

提高医疗康复辅具的智能化水平能够明显改善老年人等弱势群体的运动步态及肢体运动能力,以及增强他们的自理能力、社会参与能力.因此,有效地获取人体在不同运动模式下的步态信息并将其应用在智能动作辅助系统控制系统的设计上是目前需要解决的重要问题.肌电信号能够很好地反映人体在运动时的肌肉活动状态和功能状态,本文针对不同路况下人体下肢肌肉的表面肌电信号进行一系列实验研究.通过比较人体下肢主要肌肉群的特征参数,得出人体下肢存在优势侧和非优势侧的结论,且不同路况下的这种差别是不同的.此外,本研究还通过分析不同路况下行走时人体下肢4组主要肌肉群(股内侧肌(VMO)、胫骨前肌(TIB)、半腱肌(SEM)和腓肠内肌(MED))的特征参数变化,得知双下肢的肌肉特征参数随路况的变化而变化的具体参数特点.本研究揭示了在不同路况下行走时人体下肢主要肌群的活动状态和变化特征,可为有行走功能障碍的患者及老年人的医疗诊断、康复训练及康复评定提供依据,同时也为双足机器人/智能助行器的优化设计奠定了基础.     

人体在向后滑倒时平衡调节能力的生物力学研究

通过分析从坐到站及行走过程中多次平衡干扰对滑倒的调节效果,从运动生物力学的角度,探究在有外部干扰及疲劳滑动状态下对人体平衡能力的影响以及差异性.利用动态滑轨在受试者完成坐起动作和正常向前行走时产生突然的向前运动,使受试者产生向后跌倒的趋势.运用Noraxon表面肌电测试系统、Kistler三维测力台、BTS三维红外动作捕捉系统,以及Ariel录像分析系统,同步记录受试者在正常坐起及向后滑倒过程中的运动学、动力学和肌电参数.运用Biodex多关节等速肌力测试系统实现下肢关节肌肉的疲劳.结果表明:有效的质心调节可以使人体在遇到突然的向后滑动时保持相对稳定状态,使身体不至于产生较大的波动,充分的下肢支撑以及有效的上肢关节的调节是避免滑倒的关键.在从坐到站及人体行走过程中,地面反作用力、压力中心移动范围的值相比无干扰状态下显著增加.在从坐到站过程中突然滑动测力台,腓肠肌内侧、股二头肌,胫骨前肌和股直肌的积分肌电值较无干扰状态有了显著的增加.人体在疲劳状态下,腓肠肌内侧和股直肌肌电值明显增加.在滑台上多次的滑动训练可以提高人体平衡能力.模拟跌倒的测试可以评估人体的跌倒风险,对于老年人跌倒风险的评估也有一定的意义.      

基于复合摆线的下肢假肢步态规划及运动仿真

摘 要 针对现有假肢产品步态质量不佳的问题,结合四连杆机构和磁流变阻尼器设计了一种磁流变阻尼下肢假肢。基于复合摆线理论对下肢假肢进行了步态规划,并对所得轨迹曲线进行了优化。通过对轨迹曲线的逆运动学求解,得到了下肢假肢的膝关节和髋关节曲线。为验证关节曲线和下肢假肢结构设计的合理性,采用SolidWorks Motion对下肢假肢进行了运动仿真吧,并且利用关节电机进行轨迹跟随实验。结果表明,在关节曲线的驱动下,下肢假肢能够实现连续稳定的行走,具有良好的步态特性。     

水压人工肌肉三自由度关节试验系统设计

根据人体肩关节的运动机理,设计了串并联混合式三自由度水压人工肌肉机械关节.参照人体肩关节输出力矩范围,设计了机械关节输出转矩,计算确定与机械关节相匹配的水压人工肌肉参数.根据水压人工肌肉在不同工作压力下的力位移特性,分析关节的转角转矩关系.设计并搭建了三自由度关节试验系统,该系统在承受一定力矩的情况下可实现三自由度回转运动,为深入研究水下作业机械手的运动控制、操纵性能提供了条件.      

Digital Model of Human Lower Extremity Musculoskeletal System Based on CT ＆ MRI

A new method to reconstruct a comparativily complete nmscle model of the human lower limb from CT and MRI data is presented. Topological structure of more than fourteen muscles is built and coordinatas of origin and insertion points are given, Based on this model, straight-line model and centroid-line muscle model are acquired. Muscle force prediction is discussed according to the model reconstructed, and a multi-objective optimization method is put forward for evaluating muscle forces of the human lower extremity.     

下肢外骨骼康复机器人设计及其运动学分析

采用电机驱动方式,设计一种用于辅助行走和康复训练的人体下肢外骨骼康复装置.将下肢外骨骼简化为矢状面内的五杆机构,建立相应的D-H(Denavit-Hartenberg)模型,推导出一个步态周期内髋关节、膝关节、踝关节和脚尖的坐标方程.在ADAMS环境下,对下肢外骨骼进行运动学仿真分析,所得到的髋关节、膝关节和踝关节的坐标变化曲线表明:下肢外骨骼各关节在空间中具有连续的运动轨迹.     

行人下肢有限元模型的建立与验证研究

下肢损伤是行人与车辆碰撞事故中的主要损伤形式之一,建立具有较高生物逼真度的行人下肢有限元模型,可以为下肢保护提供有效的研究手段.在下肢长骨(股骨、胫骨、腓骨)、韧带(ACL,PCL,MCL,LCL)及膝关节得到全面验证的基础上,建立了包含骨骼、韧带、肌肉及皮肤等详细解剖学结构的行人下肢有限元模型,并定义了各组织间的接触.利用行人下肢弯曲的生物力学实验,对下肢有限元模型进行了整体弯曲验证.结果显示,下肢有限元模型的损伤形式、损伤发生时刻、膝关节弯矩和弯曲角度均与实验结果吻合较好,能够较真实地反映行人下肢的损伤和生物力学响应,具有较好的生物逼真度.     

基于绳牵引并联机构的上肢康复机器人设计

人类的上肢为生活提供了诸多便利,健康的上肢是高质量生活的保证。上肢如果出现运动功能障碍就需要接受康复治疗。为了减轻康复师的工作强度,同时增强治疗效果,需要利用康复机器人代替康复师来进行康复训练。通过分析肘、肩关节的运动特性和规律,基于三自由度的冗余绳牵引并联机构设计了一款面向上肢康复的机器人。该机器人由定位模块和连接模块组成,可对不同尺寸的上肢进行主动和被动康复训练。由于机器人结构简单、易于装配、制造成本低,更容易被用户所接受。在结构设计完成后对该上肢康复机器人进行了运动学建模,同时进行了机器人奇异性的分析,为后续运动控制的研究做准备。最后,考虑到机器人的力传递性能和体积大小,采用多目标优化的方式对机器人进行了优化设计。仿真结果表明,优化设计有效地提升了机器人的相关性能。研究结果可为绳牵引并联机构在上肢康复机器人设计中的应用提供理论参考。     

冬奥背景下快速康复(ERAS)理念在下肢损伤护理实践中的应用

为探索应用快速康复理念对下肢运动损伤进行康复治疗的优势,以2019年1月至2021年11月期间,首都医科大学附属北京朝阳医院收治的下肢运动损伤患者作为研究对象,将其分为常规康复组(A组)和快速康复组(B组).比较两组患者的肌肉萎缩、关节僵硬、关节活动度,以及满意度、正性负性情绪评分,其他指标包括住院时间、卧床时间.结果...