人体下肢骨骼肌建模及其运动仿真研究

摘要

随着科技的飞速发展，利用VR（虚拟现实）技术为工业安全生产和人机产品开发提供理论指导依据已成为必然趋势。在工业、医疗、体育以及军事等领域，利用“虚拟人体”技术进行特定环境下的情景模拟和人机功效分析已成为一种重要的手段。而虚拟人体的建模正是其中的研究重点。虚拟人体的建模涉及运动生物力学、人机工程学以及虚拟现实等诸多学科；虚拟人体建模的核心内容是人体骨骼肌系统的建模。本文针对诸多领域对虚拟人体的需求为背景，基于多体动力学原理，结合计算机辅助设计与仿真等手段建立人体下肢骨骼肌系统模型，以期指导人机工程学产品优化设计，并用于康复医疗、仿生机械和体育训练等领域中特定情况下的人机情景模拟分析。　　首先，通过参阅大量中外文献，总结与改善前人的研究方法，参考前人的研究成果，提出以实验采集为基础，多体动力学为原理，计算机辅助设计为手段的人体下肢骨骼肌系统建模方案，并选取6名健康男子为研究对象，基于人体运动信息采集系统进行人体下肢表面肌电信号、下肢环节运动参数、地反力等数据的采集。　　其次，利用MATLAB进行人体下肢 CT图像的滤波去噪与锐化处理，通过编程计算提取下肢表面肌电信号的特征值。运用QTM软件处理实验数据，建立人体下肢点棍运动模型，并进行人体下肢运动参数的提取与绘图。　　再次，利用Mimics软件提取人体下肢骨骼的点云数据；运用 UG软件进行点、线、面、体逐级构造，建立人体下肢骨骼模型；借鉴中外文献建立人体下肢骨骼肌的简化模型，利用ADAMS/view模块结合实验采集数据与人体下肢肌肉关节力矩方程建立人体下肢骨骼肌系统模型。　　最后，在ADAMS环境下进行人体下肢骨骼肌模型的运动学和动力学仿真,获得仿真参数，采用复相关系数法对比分析仿真数据和实验采集数据的相关性，同时分析该模型的可行性与实用性。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 人体建模的国内外研究现状综述

1.3 课题来源

1.4 课题主要研究内容

第2章 实验数据采集与总体方案

2.1 研究对象与人体惯性参数的选取

2.2 实验采集

2.3 下肢骨骼肌系统建模与仿真方案设计

2.4 本章小结

第3章 实验数据的提取及处理研究

3.1 表面肌电信号的特征值分析

3.2 下肢环节的运动参数提取

3.3 GRF地反力的提取

3.4 本章小结

第4章 下肢骨骼肌系统建模

4.1 人体下肢的CT图像处理

4.2 人体下肢骨骼三维重建

4.3 基于UG-ADAMS的下肢骨骼肌建模

4.4 本章小结

第5章 人体下肢骨骼肌模型的仿真与分析

5.1 下肢骨骼肌的系统的仿真

5.2 下肢骨骼肌系统的仿真

5.3 仿真参数与实验值对比分析

5.4 可行性分析

5.5 本章小结

总结与展望

主要研究工作与成果

结论

课题后续研究工作与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文