基于UG与ADAMS的人体下肢骨骼肌建模及仿真

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0169

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (11): 1719-1724.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0169

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基于UG与ADAMS的人体下肢骨骼肌建模及仿真

刘韵婷¹，郭辉²，黄将诚³

¹沈阳理工大学自动化与电气工程学院，辽宁省沈阳市 110159；²沈阳工业大学，辽宁省沈阳市 110870；³重庆电子工程职业学院，重庆市 401331

出版日期:2018-04-18 发布日期:2018-04-18
通讯作者: 郭辉，博士，副教授，硕士生导师，沈阳工业大学体质健康测试中心，辽宁省沈阳市 110870
作者简介:刘韵婷，女，1983年生，辽宁省沈阳市人，汉族，2015年东北大学毕业，博士，讲师，主要从事表面肌电信号分析，人体动力学建模，人工神经网络研究。
基金资助:
辽宁省自然科学基金(20170540788)；辽宁省博士启动基金(201705200380)；辽宁省社会科学规划基金项目(L16DTY003)；辽宁省教育厅人文社会科学研究项目(WGD2016014)

Modeling and simulation of human lower limb skeletal muscle based on UG and ADAMS

Liu Yun-ting¹, Guo Hui², Huang Jiang-cheng³

¹School of Automation and Electrical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, Liaoning Province, China; ²Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, Liaoning Province, China; ³Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing 401331, China

Online:2018-04-18 Published:2018-04-18
Contact: Guo Hui, Ph.D., Associate professor, Master’s supervisor, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, Liaoning Province, China
About author:Liu Yun-ting, Ph.D., Lecturer, School of Automation and Electrical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, Liaoning Province, China
Supported by:
the Natural Science Foundation of Liaoning Province, No. 20170540788; the Liaoning Province Ph.D. Launch Fund, No. 201705200380; the Social Science Planning Fund Project of Liaoning Province, No. L16DTY003; the Human Social Science Research Project of Education Department of Liaoning Province, No. WGD2016014

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

ADAMS：ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)是目前被广泛使用的动力学建模仿真分析软件。该软件可以调用不同的人体尺寸参数来建模，并能够进行运动学与动力学参数的双向求解，从而避开繁琐的动力学方程求解过程，使得求解更加简洁。

摘要

背景：骨骼肌系统作为揭示人体运动形式变化的动力，其建模是人体建模的关键技术。

目的：基于UG与ADAMS的人体下肢骨骼肌建模。

方法：对6名男子分别测量身体下肢系统尺寸参数，根据采集到的下肢环节运动参数、动力学参数(地面反作用力)和下肢肌群的表面肌电信号，使用ADAMS对下肢骨骼肌建模并进行动力学与运动学双向仿真，获得动力学及运动学仿真参数，最后使用MATLAB对仿真值与实测值进行相关性分析以验证模型的可行性。

结果与结论：得出实测动力学、关节角度、环节点位移等数据与ADAMS仿真数据存在非常显著的线性相关关系。仿真结果表明，利用UG与ADAMS建立的人体下肢骨骼肌模型通过仿真计算能够有效求解繁琐的多刚体动力学问题。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0001-8451-7784(刘韵婷)

关键词: 骨骼肌, 建模, 运动学仿真, 关节力计算, UG, ADAMS, 骨骼肌建模, 组织构建

Abstract:

BACKGROUND: Skeletal muscle system is the driving force to reveal the change of human body movement, and its modeling is the key technology of human body modeling.

OBJECTIVE: To establish models of skeletal muscle of human lower limb based on UG and ADAMS.

METHODS: Body size parameters of the lower limbs of six men were measured. According to the collected motion parameters of the lower limbs, ground reaction force (ground support) and electromyogram signal of lower limb muscle group, ADAMS with the dynamics and kinematics simulation was conducted to get simulation parameters, such as ground reaction force, joint force, and link point displacement. Simulation value was compared with the measured value. Finally, MATLAB was used for simulation analysis.

RESULTS AND CONCLUSION: It is concluded that the measured ground reaction force, joint angles, and link point displacement had very significant linear correlation with ADAMS simulation data. The simulation results show that a model of human lower limb skeletal muscle established by UG and ADAMS can effectively solve the tedious multi-rigid-body dynamics problems through the simulation calculation.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Muscle, Skeletal, Lower Extremity, Kinematics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

刘韵婷，郭辉，黄将诚. 基于UG与ADAMS的人体下肢骨骼肌建模及仿真[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(11): 1719-1724.

Liu Yun-ting, Guo Hui, Huang Jiang-cheng. Modeling and simulation of human lower limb skeletal muscle based on UG and ADAMS[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(11): 1719-1724.

图/表（结果） 3

2.1 仿真分析

2.1.1 针对方案1进行仿真分析进入ADAMS软件view模块，导入下肢骨骼肌肉模型，将实验采集所得下肢各环节角度变化值、下肢标记点位移、转化为step函数输入到骨肌模型，设置仿真时间为10 s，step数为500步，仿真过程与结果如图5。

2.1.2 针对方案2进行仿真分析基本步骤同2.1.1，根据实验所测得的下肢各屈伸肌群肌电积分值(IGEM)得到肌肉力矩step函数，与动力学参数GRF一并导入骨骼肌肉模型，设置对应仿真参数开始仿真，仿真过程与结果如图6。

2.2 仿真参数与实验值对比分析 人体在深蹲起动作中，下肢肌肉主要克服重力做功，本文设定Y轴方向为垂直向上，由于垂直方向为主要作用力方向，因此只讨论Y轴方向的GRF值。ADAMS仿真模拟左足Y轴方向2个蹲起周期内的GRF值与测力台实测GRF值曲线见图7。人体深蹲起动作中，经方案1仿真计算所得下肢膝、踝关节力曲线，如图8所示。经方案2仿真计算所得左膝、踝关节角度曲线与实测数值曲线如图9所示。由于左膝关节标记点在X轴方向的相对位移几乎为0，因此只需讨论Y、Z轴方向的位移即可，左膝关节标记点实测与仿真位移曲线如图10所示。采用相关系数作为ADAMS仿真数值与实验采集结果比较的评价指标。

通过MATLAB计算求得垂直方向测力台采集值与ADAMS预测GRF值相关系数为0.902；左膝、左踝关节角度曲线的ADAMS仿真与实验采集值的相关系数分别为0.945、0.928；左膝关节标记点Y轴、Z轴方向的ADAMS仿真位移与实验采集位移的相关系数分别为0.814、0.910；P < 0.01，说明三维测力台采集的GRF值与基于UG与ADAMS人体下肢骨骼肌模型的仿真GRF值存在非常显著的线性相关关系。

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引言

人体建模仿真分析是计算机与现代运动生物力学交叉学科研究的关键技术，也是虚拟现实与计算机视觉领域的前沿方向之一^[1]，骨骼肌系统作为揭示人体运动形式变化的原因，其建模是人体建模的关键技术。以往运用反向动力学为原理求解运动模型参数的方法，常会出现理论计算值与实际测试值偏差较大的问题，且计算工作量繁重^[2]。著名的Hanvan模型，通过划分人体为独立的刚体单元并以多刚体模型力学分析方法为依据创建力学方程组，求解得到运动模型参数，但是该模型求解过程复杂，且无法判断肌肉的工作性质^[3]。此外，张莹等^[4]提出了一种基于Zajac肌肉力模型通过“Virtual Muscle3.1.5”软件对人体上肢骨骼肌进行仿真，但是由于求解过程中对肌肉模型的简化不合理最终结果并不能很好地反映肌肉的实际运动状态。张彦龙等^[5-6]通过ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)建立人体下肢模型进行关节力计算，结果与实际测量值很接近，但是该模型无法得到下肢肌肉的动作状态。

ADAMS是目前被广泛使用的动力学建模仿真分析软件，该软件可以调用不同的人体尺寸参数来建模，并能够进行运动学与动力学参数的双向求解，从而避开繁琐的动力学方程求解过程，使得求解更加简洁^[7]。本文通过采集人体下肢的表面肌电、地面反作用力(ground reaction force，GRF)和运动学参数，以多刚体动力学原理为依据，基于UG与ADAMS技术建立人体下肢骨骼肌的8刚体多自由度动力学模型。通过ADAMS仿真进行运动学与动力学的双向求解，寻求反向动力学问题更有效的解决方法以及探索肌电与肌力之间的关系；同时将仿真所得数据与采集结果进行对比验证，探讨该模型的预测性能与应用优势。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计 建立人体下肢骨骼肌模型。

1.2 时间及地点 实验于2015年11至12月在西北师范大学体育学院运动生物力学实验室完成。

1.3 对象 选定研究对象为6名健康男子，身高(1.75±0.05)m，年龄(24±1)岁，体质量(65±5)kg。

1.4 方法

1.4.1 信息采集对6名男子分别测量身体下肢系统尺寸参数，同时利用三维人体运动信息采集系统同步采集下蹲过程中下肢肌群的表面肌电图、GRF、人体环节运动参数得出共性规律以减小抽样误差，选取1名男子，身高1.75 m，体质量60 kg，年龄25岁，作为建模样本。

1.4.2 人体惯性参数的确定以《中国成年人人体尺寸(GB/T 10000-1988)》为参照，测量研究对象，确定人体建模所需的基本参数；参考尚鹏提出的人体下肢的肌肉附着点坐标^[6]；引用姜丽等^[7]提出的下肢肌肉关节力矩方程建立人下肢骨骼肌系统。应用国家标准GB/T17245-2004《成年人人体惯性参数》确定人体模型的惯性参数；利用二元回归方程来计算建模样本的个体惯性参数，部分参数见表1，回归方程如下所示：

Y=B₀+B₁X₁+B₂X₂

式中：B₀、B₁、B₂为回归方程的系数；X₁为人体的体质量；X₂为人体的身高。

将建模样本健康男子，年龄25岁，身高1.75 m，体质量60 kg带入回归方程后确定个体下肢的质量、质心与转动惯量，如下表2所示。

1.4.3 实验数据采集本文首先利用UG建立人体下肢骨骼模型，之后采集实验对象的表面肌电信号及动力学与运动学参数，最后将下肢骨骼模型导入ADAMS中建立人体下肢骨骼肌模型^[8-9]。采集下蹲过程中下肢肌群的表面肌电信号、GRF、人体环节运动参数，并得出共性规律以减小抽样误差^[9]。用6台高速摄像机，以三维测力台为拍摄的中心区域，采集人体下肢标定点的运动数据。距三维测力台正前方3 m偏左45°处，架设1台摄像机同步采集人体的动态图像信息。规定以1个深蹲起为完整的动作周期，重复完成3次，同步采集人体每个周期中下肢各环节运动参数。用1台芬兰Megawin T8表面肌电仪同步采集下肢屈伸的肌群表面肌电信号。采集过程如图1所示。

身体标定点(Marker)借鉴Helen Hayes(Davis)Marker Placement(海伦•海斯)坐标进行标定，下肢共10个点，下肢标记点坐标见表3。

用1台Kistler-9287B足底压力三维测试台，对上同步采集人体地面反作用力GRF。采集过程如图2所示。

1.4.4 基于UG的下肢骨骼模型的三维建模人体下肢骨骼由骨盆、股骨、髌骨、胫骨、腓骨和足部骨骼等组成，包含髋关节、膝关节和踝关节等。下肢建模的过程中，髋关节可视为骨盆与股骨连接形成的球窝关节，膝关节近似为股骨和胫骨组成的膑骨接合，踝关节视为胫骨与足部诸多骨骼共同连接而成的关节。髋关节视为研究人体运动过

程中的多自由的关节，膝关节、踝关节视为1个自由度的关节。骨盆在下肢的动作中被视为相对固定。在下肢的建模过程中，股骨和胫骨被模拟为圆柱形的刚性体^[10]，运用反向工程技术，综合利用人体下肢CT切片数据以及MIMICS和UG NX8.0软件完成人体下肢骨骼三维建模^[11-12]。下肢标记点坐标见表1。下肢骨骼模型如图3所示。

1.4.5 基于ADAMS的下肢骨骼肌模型的建立 ADAMS中采全局坐标系(Ground Coordinate System)来表示构件的方向、位置和速度等；描述一个刚体的位置与形状需要6个笛卡尔广义坐标来完成，通过刚体质心的3个直角坐标X、Y、Z来确定位置^[7]。选取屏幕作为参照，以右手定则为准，Y轴为垂直向上，选取Y轴负方向为重力方向，Z轴向外垂直于屏幕，X轴由Z×Y确定。将下肢骨骼模型导入ADAMS，添加下肢骨骼基本约束，髋关节被视为研究人体运动过程中的多轴关节，添加球窝关节约束。膝、踝关节可视为1个自由度的关节，添加对应的1自由度旋转约束。人体下肢中，髋、膝、踝等关节处的力由关节接触面来传递，因此作用于各个关节的力可以视为下肢各关节对应肌肉、韧带的张力与关节接触力的合力矩。所以本文以关节合力矩代替肌肉、韧带的作用力添加到骨骼模型，从而建成完整的骨骼肌模型。相比前人复杂的肌肉力学模型，该力矩采用下肢肌肉关节力矩方程^[13]，避免了复杂的反向动力学计算。下肢肌肉关节力矩方程如下：

其中，Y_K为髋关节力矩；W₁为臀大肌IEMG；W₂为股二头肌IEMG；W₃为半腱肌IEMG；W₄为髋关节角度。

(2)膝关节力矩、IEMG值、关节角度关系式：

其中，Y_X为膝关节力矩；W₅为股内肌IEMG；W₆为膝关节角度。

(3)踝关节力矩、IEMG 值、关节角度关系式：

其中，Y_H为踝关节力矩；W₇为腓肠肌内侧IEMG；W₈为腓肠肌外侧IEMG。

将上述力矩方程添加至step函数，并将实验采集所得下肢各原动肌群的IEMG值、关节运动角度、位移等值分别输入到step函数中，在下肢骨骼模型上的3个关节处对应添加相应的肌肉合力矩step函数，从而得到下肢骨骼肌肉模型，骨骼肌肉模型如图4。

1.4.6 模型预测性能的检验与仿真为了验证该骨骼肌模型与模拟人体下肢的近似程度，从动力学、运动学两个方面进行仿真求解，从而验证模型的可行性。

(1)验证方案1：将实验采集得到的运动学参数(下肢关节角度、环节点位移、速度等)输入骨骼肌模型，经过仿真得到骨骼肌模型动力学参数(关节力、GRF)，将仿真得到的动力学数据与实验测得的动力学数据做相关性分析。 (2)验证方案2：将实验采集得到的GRF值以及肌电积分值输入骨骼肌模型，经过仿真得到骨骼肌模型运动学参数(下肢关节角度、环节点位移、速度等)，将仿真得到的运动数据与实验测得的运动学数据做相关性分析。

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讨论

本研究采集了人体的运动学数据、动力学数据和表面肌电数据，采用UG与ADAMS技术对人体下肢骨骼肌进行建模和仿真。基于UG与ADAMS的人体下肢骨骼肌建模型的仿真结果与实测结果(GRF、关节角度、环节点位移)高度吻合，说明仿真结果较好。由此说明基于UG与ADAMS的人体下肢骨骼肌模型仿真能够求解人体动力学、运动学参数。应用该方法可以得到人体运动状态下动力学参数(力，力矩)、运动学参数(时间、位移等)^[14]。同时可得到与人体运动状态同步的各环节点位移、速度、加速度、扭矩、关节角度变化值以及对应的原动肌表面肌电参数，从而更全面地模拟与评估人体的运动状态^[15-17]。该模型基于ADAMS仿真可以通过运动学参数求解动力学参数，可以通过动力学参数求解运动学参数；从而使得求解反向动力学问题更加简洁，避免复杂的计算过程。

随着科技的快速发展，VR(虚拟现实)技术为人机产品开发提供了一种新技术^[18-24]。在医疗、体育和军事等领域利用“虚拟人体”技术手段为特定条件下的情景模拟和人机工效学分析提供了便利^[18-24]。人体骨骼肌系统的建模是虚拟人体建模的核心内容。本文基于虚拟人体的需求，结合UG与ADAMS等手段建立人体下肢骨骼肌模型，以期用于康复医疗、仿生机械以及特定场景下的情景模拟分析。

本研究采用6台Qualisys 系统高速摄像机、1台同步摄像机、1台Kistler-9287B三维测试台、1台芬兰表面肌电仪同时采集。从实验操作层面试验难度较大，其中实现实验同步采集是最大难点，也是存在误差最大的方面，本实验的同步是采用外同步的方法实现的。外同步的方法误差要大于内同步^[25]。

本研究克服了反向动力学求解在关节数增多的时求解方程组需要占用较多的计算机资源^[16^，^26-30]。

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