人体上肢的ADAMS建模及仿真

《人体上肢的ADAMS建模及仿真》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、医用生物力学2002年12月第17卷第4期240JournalofMedicalBiomechanicsVol.17,No.4,Dec.2002人体上肢的ADAMS建模及仿真ΔΔΔ宋红芳,张绪树,史俊芬,陈维毅(首都医科大学,北京100054;Δ太原理工大学应用力学研究所,山西太原030024)【摘要】目的通过对人体上肢生理结构及其运动特征的分析研究,对上肢结构进行适当的简化,建立一个两刚体的运动系统,分析上肢的运动。方法运用ADAMS仿真软件,将上臂和前臂的骨骼简化为两刚体,上臂和躯干间的连结简化为球铰,上臂和前臂间的连结简化为合页铰,肌肉的作用简化为

2、作用于其质心处的力,建立上肢的运动模型,并对旋内外、展收和屈伸三种简单运动进行仿真模拟。结果模型仿真的结果与上肢的实际运动情形相一致。结论使用ADAMS可以很好的建立人体上肢的运动模型,分析人体上肢的运动。【关键词】上肢;多刚体;ADAMS仿真软件;建模;仿真人体上肢生理结构非常复杂,因而长期以来对其运动的研究一直非常受人关注,通常在对其结构进行适当简化的基础上研究它的运动情况。本文将上臂和前臂的骨骼简化为两刚体,上臂和躯干间的连结简化为球铰,上臂和前臂间的连结简化为合页铰,附着于骨骼上的肌肉的作用简[1]化为作用于上臂和前臂质心处的力,形成一个四自由度

3、的刚体系统。同时使用美国MDI公司开发的机械系统动力学分析软件ADAMS建立了人体上肢的简化模型,并对其三种简单运动进行了仿真。ADAMS简介ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)是美国MDI公司开发的机械系统动力学分析软件。它可以实现计算机上的复杂运动仿真分析,自动生成任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型,具有方便的用户界面和强大的图形动画显示能力、强大的建模和模拟环境及仿真计算能力,采用用户熟悉的Motif界面和Windows界面,提供相对任意参考坐标系的建模能力。它由ADAMSVie

4、w(用户界面模块),ADAMSSolver(求解器),ADAMSPostProcessor(专用后处理模块),ADAMSAnimation(高速动画模块)等主要模块构成。建模流程如图1。图1建模流程图[收稿日期]2001-07-30宋红芳,等.人体上肢的ADAMS建模及仿真241建模及仿真模型的建立在对人体上肢结构进行简化的基础上,我们运用ADAMS软件建立了它的运动模型。在建模的过程中,首先确定人体上肢各部分的几何和物理参数,其次建立全局坐标系和各刚体上的局部坐标系,最后将所建的各个部件组织到一块,添加相应的约束和力,得到运动模型。[2,3]几何物理参

5、数已有的参考文献中关于人体上肢的几何物理参数如下:22上臂:质量m1=2.27kg,转动惯量(相对于质心)I1L=1870kgmm,I1T=14820kgmm,长度l1=314mm。22前臂:质量m2=1.36kg,转动惯量(相对于质心)I2L=676kgmm,I2T=7040kgmm,长度l2=250mm。(I1L,I1T,I2L,I2T分别表示上臂和前臂沿各自纵轴和横轴方向的转动惯量)。使用这些具体的参数可以完全决定人体上肢的几何和物理特性。坐标系的确定建模时,取全局坐标系的原点在上臂和躯干的连结点(即盂肱关节)处,且固定不动在躯干上,X轴在屏幕上水

6、平向右,Y轴在屏幕上竖直向上,Z轴垂直于屏幕向外;固结于上臂的局部坐标系的原点与参考坐标系的原点重合,当上臂与躯干处于同一平面且水平放置时,X1轴指向正前方,Y1轴沿着上臂轴向向外,Z1轴垂直于上臂向下;固结于前臂的局部坐标系原点在肘关节处,当前臂与上臂处于同一直线时,前臂的三轴X2、Y2、Z2分别与X1、Y1、Z1轴平行。建模过程首先在model1里建立躯干模型body,将其固定在地面上,并建立全局坐标系;然后分别在model2,model3中建上臂和前臂模型upper-arm和forearm,上臂和前臂均简化为一个有其具体几何参数的柱状刚体,每生成一

7、个刚体均会在刚体的特殊位置处出现一个MARK,标记出此处点的位置和相对于参考坐标系的方向,(MARK的方向可以人为调整);将model2和model3合并到model1中;再在上臂和躯干之间添加球铰链约束,上臂和前臂之间添加合页铰约束;最后在上臂和前臂的质心处添加外力使之运动。在建立各个部件之后,设置各个部件的物理参数及力和铰链的参数。模型仿真对人体上肢的旋内外、展收和屈伸三种简单运动进行运动仿真,下面给出旋内外和展收运动模型模拟(图2～3)。图2旋内外运动实体模型三视图图3展收运动线框模型三视图医用生物力学2002年12月第17卷第4期242Journ

8、alofMedicalBiomechanicsVol.17,No.4,Dec.2