人体步态研究与仿真的现状和展望

综述了EMG、有限元、多刚体和逆动力学、神经-肌肉-骨骼和肌肉-骨骼建模等四种方法在步态研究中应用的现状。分析了当前研究的困难和不足。指出困难在于对活体步态参数的测量，不足之处是没有运用多柔体系统动力学。提出未来研究的重点应集中在把人体重要的肌肉、骨骼、韧带作为多柔体系统的部件，改进人体组织的本构模型和有限元方法，基于步态生物力学运用多学科相结合为正常人研制功能性服装和鞋袜等三方向。     

基于运动生物力学的三维人体运动模型

针对三维虚拟仿真中人体模型标准定义不统一的问题,从运动生物力学的角度出发,提出了层次化建立人体运动模型的方法。首先将人体运动中的关节进行了分类,然后描述了一种通用的人体模型并定义了其数据结构。对手、足、脊柱等具有特殊运动特性的器官进行了单独分析和定义。这一人体模型表示方法在具有生物力学特性的人体运动表示中有较好的通用性。     

"中国力学虚拟人"骨骼系统仿真平台研究

在中国可视人冷冻切片图像序列数据集的基础上,首先通过三次有理B样条曲线拟合获得人体头部、颈椎、胸腔、脊柱、上肢、下肢、手部和足部的骨组织曲线曲面模型;然后定义了中国力学虚拟人的整体坐标系统;最后采用opencascade三维建模算法编程实现了中国力学虚拟人骨骼系统的整体重建,开发了中国力学虚拟人骨骼系统仿真平台软件.该平台可以为航空航天、车辆工程、船舶工业、虚拟手术、医学教学、军事训练、人体生物力学研究、虚拟现实等提供精确的人体计算模型.     

基于ADAMS.LifeMOD的人体头颈部动力学仿真与验证

基于多刚体动力学软件ADAMS和生物力学仿真软件LifeMOD,建立了一个人体头颈部三维多刚体动力学模型。该模型包括颅骨、颈椎骨、肩胛骨、躯干上段以及体现粘弹性性质的肌肉组织。采用美国海军力学实验室的前碰撞志愿者实验数据对模型进行了验证。验证结果表明,该模型具有很好的可信度,可以用来研究在碰撞条件下头颈部的动力学响应特性。     

人体中耳有限元法数值仿真

精确的中耳有限元模型将有助于分析中耳的力学机理、辅助设计中耳助听装置.利用CT扫描和逆向成型技术建成了较精确的中耳三维有限元模型,该模型基于一无任何听力损伤病史的成年志愿者的右耳.模型包括鼓膜、锤骨、砧骨、镫骨、砧锤关节、砧镫关节及中耳韧带/肌肉.最后,通过鼓膜及镫骨底板的位移仿真结果与国外实验测得数据进行对比,验证了该模型的可靠性.     

某型导弹发射筒的弹射工况建模仿真研究

基于网格理论和有限元理论,建立了某型导弹复合材料发射筒的结构模型,计算了水压加载下的应变情况。与发射筒水压试验检测数据比较,仿真数据表明,网格理论误差较大,无法对发射筒效能有效性进行评估,有限元模型与检测数据模拟较为精确,且能有效地确定应变最大部位。通过对发射筒进行弹射动态加载,完成对发射筒弹射工况下整体应变的计算,仿真模型计算表明,利用有限元方法可有效分析发射筒弹射工况下的应变模拟仿真。     

斜拉桥-EMD系统智能模型及控制仿真研究

基于智能算法建立斜拉桥-EMD控制系统的智能模型,并对其进行了智能主动控制的数值仿真.首先利用遗传算法优化BP神经网络的权值和阈值,由仿真数据建立斜拉桥-EMD控制系统的智能模型,代替传统的有限元模型对桥梁结构进行动力分析;然后综合模糊逻辑推理和神经网络理论设计智能主动控制策略,对智能模型进行智能主动控制,数值仿真结果表明:此方法振动控制效果良好,可以有效抑制桥梁结构地震波激励下的结构动力反应.     

一种人体肌肉的参数化建模及变形方法研究

由于人体肌肉在变形过程中具有保体积的约束特性,且肌肉运动缺乏三维多角度呈现,为此,提出了一种人体肌肉的参数化建模及变形方法。基于MRI（magnetic resonance imaging）数据,利用其生成的切片图像提取外轮廓线进行构建三维肌肉模型;层次化定义肌肉特征,建立语义参数间的映射关系,实现肌肉的保体积变形;通过建立向量值动态四阶微分方程使特征曲线动态模拟肌肉的变形过程,并建立骨骼运动与肌肉变形之间的对应关系。以人体肱二头肌为例进行实验,验证了此方法的有效性。     

基于旋转角度的跑步运动仿真

提出基于旋转角度的方法仿真跑步运动.跑步时人体四肢和躯干都在绕关节做重复旋转运动,基于旋转角度的跑步模型根据各关节的旋转角度计算人体运动时不同部位的位置,进而求解跑步运动行为.根据该模型提出一种跑步运动仿真方法/程序,该方法可以用于跑步运动仿真和提供建模所需的人体部位的位置数据,因而可缩短建模周期.用一个慢跑仿真案例示例了该方法的仿真过程.     

基于旋转角度的角色运动建模与控制

要创建深度沉浸的跑步竞赛虚拟环境,则必须建立逼真的虚拟人行为模型.根据跑步时人体四肢和躯干都在绕关节做重复旋转运动的特点,提出一种基于旋转角度的运动行为模型,用于计算人体运动时不同部位的位置,进而求解跑步运动行为.基于该模型开发了一个跑步仿真程序用来仿真虚拟人的跑步动作与姿态.根据该模型构建了数字娱乐划船器,通过三维模型数据的转化、运动者参数的实时采集、虚拟人运动参数的计算,实现了角色的控制.该建模与控制方法可用于网络健身游戏、虚拟人体动画、虚拟机器人的建模与仿真.     

虚拟手术中的软组织变形仿真研究

虚拟手术中对生物体软组织变形仿真的研究一般采用线弹性物理模型。然而，生物软组织本身呈粘弹性的物理特性。本文通过对软组织生物力学特性的分析，将粘弹性模型应用于手术仿真中软组织变形的研究。在尽量减小算法复杂度的前提下，推导粘弹性模型的计算公式，较好地仿真了在外力作用下软组织的变形。     

功能性电刺激脚踏车训练系统建模及仿真分析

针对FES脚踏车训练系统建立数学模型并对模型进行仿真。该系统模型由模式发生器,电刺激关节力矩模型及人机动力学模型组成。根据关节伸展弯曲时,脚踏车曲柄对应角度和速度关系及三组肌肉群的状态,建立模式发生器模型。对腿部肌肉群刺激时序优化得到最终刺激模式。通过计算肌肉在电信号刺激下的肌肉激活度、最大肌肉力、肌肉力长度特性及肌肉力速度特性建立电刺激肌肉力模型,得到电信号刺激肌肉时产生的肌肉力大小及肌肉力在关节处的合力矩。根据拉格朗日方程和关节力矩建立人机动力学模型。采用典型人体数据,以Simulink为仿真平台,通过差分、迭代等方法对系统模型求解,得出刺激信号与肌肉、关节及曲柄的动力学关系。以脊髓损伤患者对训练系统进行实验,对比曲柄处合力矩与曲柄角度关系验证脚踏车系统模型方法正确可行。

Abstract：

Aiming to study FES cycling system,the mathematics model and simulation were presented.The model includes pattern generator,stimulation-joint torque and man-machine kinetic model.Based on three muscles group state,the crank angle and velocity when the joint extending and flexing,the pattern generator model was built.Optimizing the stimulative time sort,the final stimulative pattern was explored.By calculating muscle active,muscle maximal force,the characteristic of muscle force-length and muscle force-velocity under signal stimulation,the electric stimulating muscle model,stimulative muscle force and the torque on the joint can be got.Based on Lagrange equation and joints torque,the man-machine kinetic model was built.Using typical body data and Simulink platform,the relationship of kinetics among the stimulation signal,muscles,joints and crank was found using the method of iteration and difference to solve the system model.From the experimental data of SCI patient on the system,comparing the results of crank torque and crank angle between simulation and experiment,it is showed the model of FES cycling is feasible.     

武器系统仿真模型的可信性验证方法研究

武器系统仿真模型的可信性验证是合理地、科学地运用武器系统仿真模型进行系统分析、预测以及辅助决策的关键环节。通过对典型水中兵器仿真模型进行可信性验证，结出了系统仿真模型的可信度在典型水中兵器仿真模型中的具体形式，建立了仿真模型的可信度分城模型．然后利用经典统计分析方法给出了该典型水中兵器仿真模型可信度的点估计及其置信下限，并通过实际试验及仿真模型数据实现了该可信性验证方法，证明了该方法的可行性。     

基于肌肉模型的眼睛动画研究

针对目前眼睛肌肉动画模型不够真实,细节表现不够逼真,提出了一种改进的基于肌肉模型的眼睛动画算法,通过设置眼部范围向量和眼部肌肉三维方向上的影响因子,优化了眼部肌肉运动模型,提高了运算速度,并根据眼皮运动的特殊性,单独对眼皮采用了一种高效的算法模型,此方法首先对眼皮标注特征点,然后将眼皮运动模拟为眼皮顶点沿两眼角为轴的上下运动,根据眼皮运动的规律,算出不同位置顶点的旋转角度,采用插值方法计算新的顶点,实验结果表明该算法具有较好的细节表现,生成的眼睛动画逼真.     

激光制导武器弹目视线半实物仿真技术研究

根据激光半主动制导武器的制导原理,建立了实战情况下弹目视线数学模型,设计了弹目视线半实物仿真系统,进而建立了半实物仿真条件下的弹目视线数字模型。根据相似性原理,建立了激光光斑能量中心在漫反射屏上运动的数学模型和二轴转台角运动数学模型。通过仿真分析证明这些数学模型是正确的。     

抽油泵泵阀运动规律的计算机仿真

综合考虑了液体可压缩性、泵阀运动的魏氏效应对泵筒内液体连续流条件的影响，并考虑了泵阀运动的动力特性，建立了新的泵阀精确运动微分方程，该数学模型不存在奇点问题。本文应用数值积分法建立了泵阈运动规律的仿真模型，并编写了泵阀运动的计算机仿真程序。室内台架模拟试验结果表明，本文所建立的泵运动规律的数学模型是正确的，具有较高的仿真精度。     

雷达制导半实物仿真误差分析

在介绍雷达寻的制导控制基本原理、半实物基本方法及仿真原理的基础上,详细介绍了雷达寻的制导控制半实物仿真系统的组成、各关键设备的工作原理并进行了主要误差因素分析,同时对关键仿真设备的误差进行研究,并建立数学模型,进一步推导出此类雷达仿真系统具有一般意义的仿真误差模型。最后通过半实物仿真试验对仿真系统的仿真精度进行验证。仿真试验表明,该半实物仿真系统的仿真精度满足控制系统半实物仿真试验的要求。     

同步数字体系的光纤通信系统仿真模型与算法

同步数字体系(SDH)的光纤通信仿真系统的建模及仿真算法是实现其仿真软件的关键问题，本文为通用SDH设备的仿真系统提供了一种建模方法和模型实例，并给出了在模型实例下仿真实现，这种模型结构同样适于其他的通信系统仿真。     

人行桥上突发事件下的人群恐慌行为模型研究

人行桥是人员密集场所,在突发事件下,容易导致人群拥挤踩踏。目前的人群仿真技术对恐慌情绪考虑不充分,不能全面描述人群行为。在综述人群行为仿真技术的基础上,提出了个体的结构和假设,给出了人群在恐慌情绪作用下个体的行为描述,构建一种恐慌情绪感染模型,在计算机上编制了演示系统,从而验证本文模型的合理性。