人體動力學(xué)模型及仿真研究

《人體動力學(xué)模型及仿真研究》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、基于ADAMS人體動力學(xué)下肢建模與仿真前言人體生物力學(xué)研究的是一個多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域,它涉及到機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、人體解剖學(xué)、外科學(xué)(特別是骨科)、攝影測量學(xué)、測試技術(shù)以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多方面的知識。研究人體動力學(xué)的建模和仿真，獲取有關(guān)運(yùn)動、力學(xué)數(shù)據(jù)，對指導(dǎo)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)、運(yùn)動康復(fù)機(jī)械設(shè)計(jì)等具有重要意義。為了滿足人們的需要和安全，在一些實(shí)驗(yàn)中必須模擬人體作為實(shí)驗(yàn)對象。為了保證人體的安全和新設(shè)備的研發(fā)，因此在人體運(yùn)動仿真研究中需要將人體作為某種程度的抽象，這種抽象既要盡可能反映人體的真實(shí)情況，又要易于實(shí)現(xiàn)。人體

2、模型是車輛設(shè)計(jì)、動力學(xué)分析和服務(wù)型機(jī)器人設(shè)計(jì)與仿真的基礎(chǔ)，為設(shè)計(jì)用的人體模型屬于人體幾何學(xué)/運(yùn)動學(xué)模型，它還為動力學(xué)分析與仿真提供了必要的幾何特性；為分析與仿真用的人體模型屬于多體系統(tǒng)動力學(xué)模型。人體動力學(xué)模型是多體系統(tǒng)動力學(xué)在生物力學(xué)方面的最新研究成果，已在國外車輛動力學(xué)分析與仿真領(lǐng)域獲得工程應(yīng)用。如果從建模的方式來看人體模型種類可以分為以下兩種。從仿真角度建模—人體仿真模型（目前主要是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行人體多體仿真建模）；從力學(xué)角度建?！獎恿W(xué)模型。一、歷史發(fā)展及現(xiàn)狀1.運(yùn)動生物力學(xué)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀有關(guān)生物體運(yùn)

3、動的力學(xué)問題很早就引起了人們的注意，早在15世紀(jì)末，意大利科學(xué)家LeonardoDaVinci研究了人體的各種姿勢和運(yùn)動，首先提出了“一切能夠運(yùn)動的生物體都遵循力學(xué)定律而運(yùn)動”的重要觀點(diǎn)。隨著生命科學(xué)、力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，一門以研究人體力學(xué)行為特征為主的學(xué)科一運(yùn)動生物力學(xué)誕生了。運(yùn)動生物力學(xué)作為一門學(xué)科，它的產(chǎn)生與發(fā)展，在我國還只有不到60年的歷史。直到70年代后期，隨著體育科學(xué)的全面進(jìn)步和高科技的滲入，運(yùn)動生物力學(xué)才真正活躍起來，并迅即發(fā)展成為體育科學(xué)體系中最體現(xiàn)現(xiàn)代高科技水平的學(xué)科之一?？疾觳⒎治鲞\(yùn)動生物力學(xué)

4、的發(fā)展過程，在欣喜于運(yùn)動生物力學(xué)已取得長足進(jìn)步的同時,我們還不得不承認(rèn)，運(yùn)動生物力學(xué)的理論基礎(chǔ)是不完善的，在這方面的科學(xué)研究也幾無進(jìn)展。人體運(yùn)動分析是近年來計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中備受關(guān)注的前沿方向之一，是當(dāng)代生物力學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺相結(jié)合的一項(xiàng)重要技術(shù)，具有十分廣闊和重要的應(yīng)用領(lǐng)域，它在機(jī)器人學(xué)、仿生機(jī)械學(xué)、智能控制、人機(jī)交互、運(yùn)動分析和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。建模是研究人體運(yùn)動的核心，目前的建模方法包括：有限元分析，多剛體動力學(xué)，肌肉一骨骼建模，振動力學(xué)，運(yùn)動學(xué)建模以及實(shí)驗(yàn)等方法。2.多體系統(tǒng)動力學(xué)研究的發(fā)展多體系統(tǒng)動力

5、學(xué)的核心問題是建模和求解問題，其系統(tǒng)研究開始于20世紀(jì)60年代。從60年代到80年代，側(cè)重于多剛體系統(tǒng)的研究，主要是研究多剛體系統(tǒng)的自動建模和數(shù)值求解。到了80年代中期，多剛體系統(tǒng)動力學(xué)的研究已取得一系列的成果，尤其是建模理論趨于成熟，但更穩(wěn)定，更有效的數(shù)值求解仍然是研究的熱點(diǎn)。80年代以后，多體系統(tǒng)動力學(xué)的研究更偏重于多柔體系統(tǒng)動力學(xué)，這個領(lǐng)域也正式被稱為計(jì)算機(jī)多提系統(tǒng)動力學(xué)，并且至今仍然是力學(xué)研究中最有活力的分支之一，但已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般力學(xué)的含義。二、人體運(yùn)動學(xué)的研究運(yùn)動學(xué)(kinesiology)是理論力學(xué)的一個分

6、支學(xué)科,它是運(yùn)用幾何學(xué)的方法來研究物體的運(yùn)動,主要研究質(zhì)點(diǎn)和剛體的運(yùn)動規(guī)律。運(yùn)動學(xué)為動力學(xué)、機(jī)械原理(機(jī)械學(xué))提供理論基礎(chǔ),也包含自然科學(xué)和工程技術(shù)等多個學(xué)科所必需的基本知識,包括物體的運(yùn)動在空間和時間等方面的差異。人體運(yùn)動學(xué)是研究人體活動科學(xué)的領(lǐng)域。是通過位置、速度、加速度等物理量描述和研究人體和器械的位置隨時間變化的規(guī)律或在運(yùn)動過程中所經(jīng)過的軌跡，而不考慮人體和器械運(yùn)動狀態(tài)改變的原因。在研究人體運(yùn)動時，是以牛頓力學(xué)理論為基礎(chǔ)的。在運(yùn)動生物力學(xué)中，把人體簡化為質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系、剛體和多剛體系等力學(xué)模型，而使研究的問題大大簡

7、化。但是人體是生命體，因此在研究人體運(yùn)動學(xué)時，還要盡可能地考慮人的生命特征，才能正確地研究人體的運(yùn)動。生物力學(xué)是研究生物體機(jī)械運(yùn)動的規(guī)律，以及力與生物體的運(yùn)動、生理、病理之間關(guān)系的學(xué)科為生物力學(xué)。研究運(yùn)動中人體和器械運(yùn)動力學(xué)規(guī)律的學(xué)科，為運(yùn)動生物力學(xué)。人體動力學(xué)是研究人體的運(yùn)動與作用于人體的力之間關(guān)系的科學(xué)，是運(yùn)動生物力學(xué)的分支，是體育科學(xué)、仿生機(jī)械學(xué)和動力學(xué)之間的交叉學(xué)科。人體動力學(xué)以力學(xué)定律為基礎(chǔ)，把人體當(dāng)作力學(xué)對象，研究其受力情況。人體動力學(xué)的主要研究內(nèi)容包括人體重力、支撐反作用力、摩擦力、流體阻力、人體內(nèi)力等。人

8、體運(yùn)動中的力一般用各種測力儀器和肌電儀進(jìn)行測定，并從功和能等角度進(jìn)行分析研究。三、人體多剛體動力學(xué)模型多體系統(tǒng)是指由多個物體通過運(yùn)動副連接的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。多體系統(tǒng)動力學(xué)的根本目的是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)分析與仿真。它在經(jīng)典力學(xué)上基礎(chǔ)上產(chǎn)生的新學(xué)科的分支，在經(jīng)典力學(xué)剛體系統(tǒng)動力學(xué)上的基礎(chǔ)上，經(jīng)歷了多剛體