一个解剖基人本下肢的生物动力模型：第二部分：数值结果

表述人体下肢生物动力模型的数值技术,数值结果并将其与献进行比较,模型显示：当人体下肢小腿受冲击外载荷作用时,在膝关节处所产生的４个主要韧带张力以及膝关节处的咬合接触力,在大腿固定不动（或运动受到约束）的情况下,要远大于大腿未受约束的情况下,要远大于大腿未受约束的情形,这与医学常识是吻合的。     

一个解剖基人体下肢的生物动力模型--第二部分: 数值结果

表述人体下肢生物动力模型的数值技术、数值结果并将其与文献进行比较.模型显示:当人体下肢小腿受冲击外载荷作用时,在膝关节处所产生的4个主要韧带张力以及膝关节处的咬合接触力,在大腿固定不动(或运动受到约束)的情况下,要远大于大腿未受约束的情形.这与医学常识是吻合的.     

人体运动膝关节咬合的协调约束条件

本文基于人膝关节的解剖特征，建立了人体下肢在矢状面运动时，膝关节咬合的运动协调约束方程这些方程对于建立人体下肢的解剖基生物动力模型是十分重要的它们包含了运动膝关节股骨与胫骨相咬合时的滚动和滑动两种运动     

一个解剖基人体下肢的生物动力模型--第三部分:肌肉效应

本将人体下肢的肌肉根据其解剖特征，分为５个肌群，并在由本第一部分所建立的基本的解剖基模型的基础上，计入其对人体下肢动力运动的效应。本所建立的５个肌群，则主要代表着膝关节处的运动和稳定肌。最后，作为应用，研究了一个献中的特例。     

人工膝关节模拟试验机及其生物摩擦学性能评价研究进展

人工膝关节生物摩擦学模拟试验是在设计和制造阶段评价人工膝关节假体的主要方法.本文介绍了球面接触型、假体力和运动直接控制型及膝关节肌肉力重建型3类人工膝关节模拟试验机及其对应生物摩擦学研究现状,讨论了3类人工膝关节生物摩擦学试验的要求和特点,详细说明了现有人工膝关节生物摩擦学试验和测试标准,指出今后还需增加动物活体试验方式,扩大模拟人体运动测量范围,并应加强多因素同时作用下人工膝关节磨损机理研究,制定统一的人工膝关节生物摩擦学试验标准.     

基于UK理论的下肢关节力矩分析方法

基于UK(Udwadia-Kalaba)理论,以人体解剖学为基础,建立了人体单侧下肢的数学模型,提出了一种求解下肢运动过程中的关节力矩的简便方法,通过仿真验证了该方法的实用性和简便性。将人体单侧下肢简化为两自由度的两刚体模型,应用UK理论建立人体下肢运动的动力学模型,利用运动参数采集设备检测下肢做动作时的运动学参数,将实测角速度数据作为系统约束,通过计算约束力矩来计算实时关节力矩数据。仿真结果表明:被测单侧下肢髋关节力矩在1.8s处取极值29.5N·m,膝关节力矩在2s处取极值4.8N·m,两侧曲线具有对称相关性;实验结果基本反映出实际情况,可用于估算运动中关节力矩,且计算过程中无需引入额外参数,计算简便。     

人体上肢运动的Kane动力学模型

建立了人体上肢3刚体7自由度的多刚体模型，并应用Kane方法建立了上肢鞭打动作的物理模型，计算出上肢各环节在鞭打动作过程中的肌肉力矩和关节反作用力．实践证明，Kane方法在描述和计算上肢运动的形式和力矩时具有列解方程规范简洁、编程计算方便高效的特点，计算结果能够反映动作实际．通过对棒球投掷动作上肢三个环节力和力矩进行计算与分析，初步了解了上肢各环节在运动过程中肌肉力矩和关节反作用力与动作技术的关系．     

人体膝关节有限元模型建立及其有效性验证

建立了人体膝关节三维数字化模型,为膝关节损伤的数字化研究奠定基础;并基于有限元理论探讨、研究了膝关节损伤发生的力学机制。利用膝关节的核磁共振图像,采用专业的医学建模软件,基于3D插补法,重建膝关节三维数字化模型。建立的完整的人体膝关节三维有限元模型包括骨骼、韧带、软骨等14个主要力学承载部件,结构完整、形态逼真。本文所建的模型高度模拟了膝关节的结构与材料特性,具有空间结构测量准确性高、单元划分精细等特点。通过应力和应变测试验证了模型的有效性,模型可以重复使用,可以用此模型来研究膝关节损伤的力学机制。     

跳跃运动的动力学解释

本文建立由质点与无质量刚性杆组成的人体简化模型。将动力学方程化作以位置坐标为自变量的自治形式,以膝关节肌肉力矩作为控制变量,利用以质心的速度与加速度为相坐标的相平面分析人体的跳跃运动。分析结果可对腾空高度与肌肉的输出功、爆发力、下肢起始位置及上肢辅助动作的相互关系作出定性的动力学解释。     

关于人膝关节生物力学模型的研究现状

建立人膝关节模型是生物力学研究领域中最具挑战性的课题之一．本文对人膝关节生物力学模型的研究现状予以简单的评估和综述．结果显示:目前用于研究人膝关节的大部分模型,均属静力或准静力模型;仅建立了极少的人膝关节解剖基生物动力模型,且均属二维动力模型．因此,建立一个三维真实人膝关节生物动力模型是目前迫在眉睫的工作      

Development of a planar multibody model of the human knee joint

The aim of this work is to develop a dynamic model for the biological human knee joint. The model is formulated in the framework of multibody systems methodologies, as a system of two bodies, the femur and the tibia. For the purpose of describing the formulation, the relative motion of the tibia with respect to the femur is considered. Due to their higher stiffness compared to that of the articular cartilages, the femur and tibia are considered as rigid bodies. The femur and tibia cartilages are considered to be deformable structures with specific material characteristics. The rotation and gliding motions of the tibia relative to the femur cannot be modeled with any conventional kinematic joint, but rather in terms of the action of the knee ligaments and potential contact between the bones. Based on medical imaging techniques, the femur and tibia profiles in the sagittal plane are extracted and used to define the interface geometric conditions for contact. When a contact is detected, a continuous nonlinear contact force law is applied which calculates the contact forces developed at the interface as a function of the relative indentation between the two bodies. The four basic cruciate and collateral ligaments present in the knee are also taken into account in the proposed knee joint model, which are modeled as nonlinear elastic springs. The forces produced in the ligaments, together with the contact forces, are introduced into the system’s equations of motion as external forces. In addition, an external force is applied on the center of mass of the tibia, in order to actuate the system mimicking a normal gait motion. Finally, numerical results obtained from computational simulations are used to address the assumptions and procedures adopted in this study.     

DETERMINATION OF QUADRICEPS FORCES IN SQUAT AND ITS APPLICATION IN CONTACT PRESSURE ANALYSIS OF KNEE JOINT

While the quadriceps muscles of human body are quite important to the daily activities of knee joints,the determination of quadriceps forces poses significant challenges since it cannot be measured in ...     

含摩擦滑移铰平面多刚体系统动力学的数值算法

基于LuGre摩擦模型和线性互补问题(LCP)的数值算法,给出了具有双边约束含摩擦滑移铰平面多体系统动力学的数值算法.首先,根据滑移铰的特点,当间隙充分小时,将其视为双边约束,给出了滑移铰中滑道作用于滑块上的法向接触力的互补关系;LuGre摩擦模型能有效地描述机械系统中的黏滞与滑移运动,将该模型用于描述滑块与滑道间的摩擦力.其次,结合Baumgarte约束稳定化方法,应用第一类Lagrange方程,建立了该多体系统的动力学方程,给出了Lagrange乘子与滑移铰中作用于滑块上的法向接触力的关系式.然后,将滑块与滑道间多种接触状态的判断以及作用于滑块上的法向接触力的计算转换为线性互补问题的求解,并用常微分方程的数值算法求解该多体系统的动力学方程.最后,通过数值仿真算例揭示了滑移铰中滑块的黏滞与滑移现象,以及滑块在滑道内的多种接触状态;另外,在文中分别采用Coulomb干摩擦模型和LuGre摩擦模型,对算例中的某些工况进行了数值仿真,并且分别用本文方法得到的数值仿真结果与已有方法得到的数值仿真结果对比,表明了本文给出的方法的有效性.      

四连杆膝关节假肢的动力学建模与分析

相比于单轴式膝关节,四连杆膝关节具有更好的仿生特性和运动安全性,因而在下肢假肢研究中得到广泛关注. 本研究以一款四连杆膝关节被动假肢为研究对象,主要关注足-地交互作用力以及膝关节单边接触力等强非线性因素对下肢假肢步态的影响. 为此,采用 Kelvin-Voigt 模型和库伦模型描述足-地接触力和摩擦力,并采用 Kelvin-Voigt 模型描述膝关节单边接触力,从而基于第一类拉格朗日方程建立假肢动力学模型. 本研究以步态实验测得的髋关节运动数据为模型的驱动信号,针对假肢的步态特征进行了数值分析. 计算结果显示,当膝关节液压阻尼器的刚度较小时,强非线性作用力会使假肢产生显著的亚谐波响应,进而导致步态周期失谐. 进一步研究发现,提胯行为能够避免步态周期失谐,这也为残疾人行走时的提胯等代偿行为提供了一种新的力学解释. 为了评价假肢步态与健康人实测步态的一致性,本研究进一步定义了步态相关系数并分析了膝关节液压阻尼器刚度、阻尼参数对相关系数的影响. 结果表明,通过合理的刚度、阻尼参数设计,两者步态的相关系数可达到 0.9 以上,这为四连杆膝关节被动假肢进一步优化提供了理论支撑.      

DYNAMIC MODELING AND ANALYSIS OF THE LOWER LIMB PROSTHESIS WITH FOUR-BAR LINKAGE PROSTHETIC KNEE$^{\bf 1)}$

相比于单轴式膝关节,四连杆膝关节具有更好的仿生特性和运动安全性,因而在下肢假肢研究中得到广泛关注. 本研究以一款四连杆膝关节被动假肢为研究对象,主要关注足-地交互作用力以及膝关节单边接触力等强非线性因素对下肢假肢步态的影响. 为此,采用 Kelvin-Voigt 模型和库伦模型描述足-地接触力和摩擦力,并采用 Kelvin-Voigt 模型描述膝关节单边接触力,从而基于第一类拉格朗日方程建立假肢动力学模型. 本研究以步态实验测得的髋关节运动数据为模型的驱动信号,针对假肢的步态特征进行了数值分析. 计算结果显示,当膝关节液压阻尼器的刚度较小时,强非线性作用力会使假肢产生显著的亚谐波响应,进而导致步态周期失谐. 进一步研究发现,提胯行为能够避免步态周期失谐,这也为残疾人行走时的提胯等代偿行为提供了一种新的力学解释. 为了评价假肢步态与健康人实测步态的一致性,本研究进一步定义了步态相关系数并分析了膝关节液压阻尼器刚度、阻尼参数对相关系数的影响. 结果表明,通过合理的刚度、阻尼参数设计,两者步态的相关系数可达到 0.9 以上,这为四连杆膝关节被动假肢进一步优化提供了理论支撑.     

THREE-DIMENSIONAL FINITE ELEMENT SIMULATION OF TOTAL KNEE JOINT IN GAIT CYCLE

Based on CT scanning pictures from a volunteer＇s knee joint, a three-dimensional finite element model of the healthy human knee joint is constructed including complete femur, tibia, fibular, patellar and the main cartilage and ligaments. This model was validated using experimental and numerical results obtained from other authors. The pressure distribution of contact surfaces of knee joint are calculated and analyzed under the load action of ‘heel strike＇, ‘single limb stance＇ and ‘toe-off＇. The results of the gait cycle are that the contact areas of medial cartilage are larger than that of lateral cartilage; the contact force and contact areas would grow larger with the load increasing; the pressure of lateral meniscus is steady, relative to the significant variation of peak pressure in medial meniscus; and the peak value of contact pressure on all components are usually found at about 4570 of the gait cycle.     

机床结构结合面静态特性研究与内聚力模拟

针对机床结构中的平面结合面,通过实验分析了结合面在均布面压作用下的结合面法向变形与平均压力的关系;将结合面表面简化为半圆弧和正弦曲线两种微观形貌,利用有限元方法模拟结合面的接触变形力学行为,计算结果显示半圆弧形貌接触分析结果与实验结果较为接近.从结合面作用的物理本质出发,将结合面的相互作用等效为内聚力效应,利用内聚力模型分析了结合面的静态力学行为;内聚力模型计算结果与实验结果吻合较好.     

A multi-body optimization framework with a knee kinematic model including articular contacts and ligaments

Multi-body optimization is one of the methods proposed to reduce the errors due to soft-tissue artifact in gait analysis based on skin markers. This method uses a multi-body kinematic model driven by the marker trajectories. The kinematic models developed so far for the knee joint include a lower pair (such as a hinge or a spherical joint) or more anatomical and physiological representations including articular contacts and the main ligaments. This latter method allows a better representation of the joint constraints of a subject, potentially improving the kinematic and the subsequent static and dynamic analyses, but model definition and mathematical implementation can be more complicated. This study presents a mathematical framework to implement a kinematic model of the knee featuring articular contacts and ligaments in the multi-body optimization. Two penalty-based methods (minimized and prescribed ligament length variations) consider deformable ligaments and are compared to a further method (zero ligament length variation) featuring isometric ligaments. The multi-body optimization is performed on one gait cycle for five asymptomatic male subjects by means of a lower limb model including the foot, shank, thigh and pelvis. The mean knee kinematics, ligament lengthening and contact point positions are compared over the three methods. The results are also consistent with results from the literature obtained by bone pins or biplanar fluoroscopy. Finally, a sensitivity analysis is performed to evaluate how the joint kinematics is affected by the weights used in the penalty-based methods. The approach is purely kinematic, since the penalty-based framework does not require the solution of the joint static or dynamic analyses and makes it possible to consider ligament deformations without the definition of ligament stiffness that generally cannot be identified through in vivo measurements. Nevertheless, as far as a knee kinematic model is concerned, particularly in musculoskeletal modeling, this approach appears to be a good compromise between standard non-physiological kinematic models and complex deformable dynamic models.     

一个三维人膝关节弹性咬合的生物力学模型

基于人膝关节的解剖特征,在文献和试验的基础上,对膝关节解剖结构作了适当的简化,从而建立了一个完整的三维人膝关节弹性咬合的生物力学模型。     

机械结合面切向接触阻尼计算模型

针对两粗糙表面在法向力和切向力共同作用下相互接触时结合面切向阻尼的问题进行了研究。首先,根据KE模型对单个微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段的切向接触行为进行了分析,获得了微凸体在三个变形阶段的黏滑特性;然后,基于GW统计模型建立了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上,考虑微凸体黏滑摩擦行为的机械结合面切向接触阻尼统计模型;最后,分别讨论了机械结合面的法向预载荷、切向激振频率和切向动态位移幅值对机械结合面切向阻尼的影响。研究表明:结合面切向接触阻尼系数随着结合面法向载荷的增大而增大,随着切向激振频率和切向动态位移幅值的增大而减小;在高频率、大幅值下,结合面切向接触阻尼系数几乎与动态位移幅值和激振频率无关。为了验证模型的准确性,构建了动态切向力作用下的结合面切向阻尼试验,其试验结果与理论仿真变化规律与量级基本一致,从而证明了本文所提出的切向阻尼模型的有效性。