基于OpenSim人体步行腓肠肌静态生物力学分析
发布时间：2021-08-05 15:50
为准确、快速地研究人体下肢运动规律,构建人体下肢模型。针对该模型推导出了人体步行状态下腓肠肌相应的力学方程F1（t）。利用OpenSim搭建人体骨骼肌肉模型,并以腓肠肌进行静态力学分析为例,解析了肌肉在逆向运动学（IK）和残差缩减（RRA）两种不同分析方法中的肌肉激活度和力矩。研究结果表明:此模型能准确地模拟人体下肢肌肉的运动规律,利用RRA分析能够真实反映腓肠肌的受力情况,分析出肌肉激活度,为进一步揭示膝关节和踝关节的生物力学特性和为设计人体下肢康复机器人提供肌肉阻尼奠定基础。
【文章来源】：科学技术与工程. 2020,20(07)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
CMC最小执行力
人体的膝关节和踝关节与小腿部肌肉有着复杂的肌骨结构,涉及肌肉、韧带、骨骼、神经和血管等,是一个复杂的神经运动系统。人体通过前庭、视觉、感受和触觉的综合分析处理,控制着肌肉完成身体运动的平衡[5]。因此,在研究人体行走过程中下肢的受力状态,不仅要考虑足底受力和其他质量,还要考虑关节肌肉的受力[10-11]。人体站立、行走和慢跑等保持身体平衡的运动小腿部分主要是通过腓肠肌、比目鱼肌和胫骨前肌之间的相互调节作用来实现的,如图1人体下肢骨骼-肌肉模型。腓肠肌的作用是曲踝关节和曲膝关节,于皮肤表面,其深方是比目鱼肌。比目鱼肌起于胫骨和腓骨头部,尾下为跟腱,止于跟底,受胫神经支配。在运动过程中,腓肠肌和比目鱼肌作为一体,维持身体运动过程中小腿部肌肉的肌力,在站姿或膝关节伸直、蹬足时发力的作用。胫骨前肌主要参与膝关节和踝关节的背曲运动,与腓肠肌和比目鱼肌协调作用,维持人体平衡。
将人体的下肢运动受力模型简化基于图2骨骼-肌肉模型简图,该模型适用于腿部骨骼-肌肉近似的平面运动,上肢同时保持近似垂直的状态。其中人体上半身简化为固定在臀部的质量块;大腿、小腿和脚简化为3个连杆,髋关节、膝关节和踝关节简化为铰接点;右腿肌肉简化为2对作用在连杆两端的相对作用力,分布于大腿和小腿两侧。由于肌肉运动的非线性,希尔模型[12-13]包含主动收缩单元(CE)和被动弹簧单元(SE)表示的肌肉模型,用非线性弹簧表示肌腱,如图3所示。lMT为肌肉-肌腱长度,lT为肌腱长度,lM 为标准化的肌纤维长度,α为羽状角,它们之间存在lMT=lT+lMcosα的关系。肌纤维收缩产生的拉力通过肌腱传递给所附着的骨骼,引起关节运动,力量的传递与α有直接关系,α越小传递越明显,反之亦然;但是,一些主要肌肉为羽状肌,主因在于相同体积羽状肌的生理横截面积更大[14]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于OpenSim的腰部肌骨系统在体前屈状态下生物力学分析[J]. 詹晓彤,陈强,李志勇. 医用生物力学. 2019(01)
[2]基于肌肉反射控制的人体直立抗扰仿真研究[J]. 向馗,邱悦,庞牧野,周申培. 华中科技大学学报(自然科学版). 2018(12)
[3]不同足部轨迹对人体下肢主要肌肉疲劳程度影响的研究[J]. 张爱光,项忠霞,金腾,赵明. 机械科学与技术. 2016(05)
[4]基于软件OpenSim的人体运动建模理论及其应用领域概述[J]. 宋和胜,钱竞光,唐潇. 医用生物力学. 2015(04)
[5]行走过程中人体下肢受力模型的建立与验证[J]. 张军,李建喜,夏钰坤,何旺骁,王丽娟. 西安交通大学学报. 2015(09)
[6]人体下肢动力学建模与仿真研究现状[J]. 王建辉,徐秀林. 中国康复理论与实践. 2012(08)
博士论文
[1]人体下肢肌肉功能模型及其应用的研究[D]. 单大卯.上海体育学院 2003
硕士论文
[1]人体下肢运动力学分析与建模[D]. 洪晓明.杭州电子科技大学 2009
[2]人体髋关节运动生物力学模型研究[D]. 孙广艳.大连理工大学 2006
本文编号：3324033
【文章来源】：科学技术与工程. 2020,20(07)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
CMC最小执行力
人体的膝关节和踝关节与小腿部肌肉有着复杂的肌骨结构,涉及肌肉、韧带、骨骼、神经和血管等,是一个复杂的神经运动系统。人体通过前庭、视觉、感受和触觉的综合分析处理,控制着肌肉完成身体运动的平衡[5]。因此,在研究人体行走过程中下肢的受力状态,不仅要考虑足底受力和其他质量,还要考虑关节肌肉的受力[10-11]。人体站立、行走和慢跑等保持身体平衡的运动小腿部分主要是通过腓肠肌、比目鱼肌和胫骨前肌之间的相互调节作用来实现的,如图1人体下肢骨骼-肌肉模型。腓肠肌的作用是曲踝关节和曲膝关节,于皮肤表面,其深方是比目鱼肌。比目鱼肌起于胫骨和腓骨头部,尾下为跟腱,止于跟底,受胫神经支配。在运动过程中,腓肠肌和比目鱼肌作为一体,维持身体运动过程中小腿部肌肉的肌力,在站姿或膝关节伸直、蹬足时发力的作用。胫骨前肌主要参与膝关节和踝关节的背曲运动,与腓肠肌和比目鱼肌协调作用,维持人体平衡。
将人体的下肢运动受力模型简化基于图2骨骼-肌肉模型简图,该模型适用于腿部骨骼-肌肉近似的平面运动,上肢同时保持近似垂直的状态。其中人体上半身简化为固定在臀部的质量块;大腿、小腿和脚简化为3个连杆,髋关节、膝关节和踝关节简化为铰接点;右腿肌肉简化为2对作用在连杆两端的相对作用力,分布于大腿和小腿两侧。由于肌肉运动的非线性,希尔模型[12-13]包含主动收缩单元(CE)和被动弹簧单元(SE)表示的肌肉模型,用非线性弹簧表示肌腱,如图3所示。lMT为肌肉-肌腱长度,lT为肌腱长度,lM 为标准化的肌纤维长度,α为羽状角,它们之间存在lMT=lT+lMcosα的关系。肌纤维收缩产生的拉力通过肌腱传递给所附着的骨骼,引起关节运动,力量的传递与α有直接关系,α越小传递越明显,反之亦然;但是,一些主要肌肉为羽状肌,主因在于相同体积羽状肌的生理横截面积更大[14]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于OpenSim的腰部肌骨系统在体前屈状态下生物力学分析[J]. 詹晓彤,陈强,李志勇. 医用生物力学. 2019(01)
[2]基于肌肉反射控制的人体直立抗扰仿真研究[J]. 向馗,邱悦,庞牧野,周申培. 华中科技大学学报(自然科学版). 2018(12)
[3]不同足部轨迹对人体下肢主要肌肉疲劳程度影响的研究[J]. 张爱光,项忠霞,金腾,赵明. 机械科学与技术. 2016(05)
[4]基于软件OpenSim的人体运动建模理论及其应用领域概述[J]. 宋和胜,钱竞光,唐潇. 医用生物力学. 2015(04)
[5]行走过程中人体下肢受力模型的建立与验证[J]. 张军,李建喜,夏钰坤,何旺骁,王丽娟. 西安交通大学学报. 2015(09)
[6]人体下肢动力学建模与仿真研究现状[J]. 王建辉,徐秀林. 中国康复理论与实践. 2012(08)
博士论文
[1]人体下肢肌肉功能模型及其应用的研究[D]. 单大卯.上海体育学院 2003
硕士论文
[1]人体下肢运动力学分析与建模[D]. 洪晓明.杭州电子科技大学 2009
[2]人体髋关节运动生物力学模型研究[D]. 孙广艳.大连理工大学 2006
本文编号：3324033
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