三维人体动态计算机模拟及仿真系统

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1、三维人体动态计算机模拟及仿真系统（一）LifeMOD生物力学数字仿真软件1.简介LifeMOD生物力学数字仿真软件是在MSC.ADAMS基础上，进行二次开发，用以 研究人体生物力学特征的数字仿真软件，是当今最先进、最完整的人体仿真软 件。LifeMOD生物力学数字仿真软件可用于建立任何生物系统的生物力学模型。 这种仿真技术可使研究人员建立各种各样的人体生物力学模型，模拟和仿真人体 的运动，并深入地了解人体动作背后的力学特性以及动作技能控制规律。鉴于 LifeMOD生物力学数字仿真软件的强大功能，它成功地应用于生物力学、工程 学、康复医学等多个领域。2.厂商美国BRG（Biomechanics

2、Research Group）公司具有超过20年的与世界顶级研究机 构和商业机构的成功合作历史，包括体育器材生产商、整形外科、人体损伤研究 机构、高校和研究院所、政府机构、医疗器械生产商以及空间技术研究机构，在 生物力学、工程学、康复医学等许多行业中有卓越的名誉。3.型号LifeMOD 2008.0.04. 功能LifeMOD生物力学数字仿真软件的功能强大、先进而且普遍适用。LifeMOD生 物力学数字仿真软件可用于建立任何生物系统的生物力学模型。这种仿真技术可 使研究人员建立各种各样的人体生物力学模型；这些模型既能够再现现实的人体 运动，也能够按照研究者的意愿预测非现实的人体运动；通过人体动

3、作的模拟和 仿真，计算出人体在运动过程中的运动学和动力学数据，从而使研究者能够深入 地了解人体动作背后的力学特性以及动作技能控制规律。在体育领域，利用LifeMOD的个性化建模和强大的计算能力，不但可以将运动 员的比赛和训练情况进行再现并分析运动学、动力学特征，而且能够根据运动员 各自的生理特征来进行不同情况的仿真，进行优化分析，进而达到优化运动员技 术的目的，从而指导和帮助运动训练。5. 软件特性LifeMOD生物力学数字仿真软件是创建成熟、可信的人体模型的工具。它具有以 下特性：快速生成人体模型。能在不到一分钟的时间里完成人体模型的创建。完整的 骨骼/皮肤/肌肉模型。具有骨骼、皮肤、肌肉的

4、人体模型与受试 对象是成比例的。可根据研究需要，建立不同精度的人体模型。（简单的是19环节18关多个互相作用的模型共存。同一环境下，能够有6个模型共存，模型能 够与环境、器械以及彼此间相互作用完成动作。JI人一机交互。人体模型可以与ADAMS的模型结合，进行人一机交互的研 究。与所有动作捕捉系统有接口。LifeMOD提供ASCII表格格式，能够与所 有动作捕捉系统连接。主动和（或）受动的人体模型。人体模型能够被设置成受动的（受到环 境的作用）或者主动的（作用于环境）。也能够把同一个人体模型设成受动和主 动结合的模型。（1）.身体多个互相作用的模型。同一环境下，能够有6个模型共存，模型能够与环境

5、、器械以及彼此间相互作用 完成动作。每个模型能够被设置为主动的或者受动的。 6个人体形态学数据库数据库包括GeBOD数据库；PeopleSize的英国人、美国人、日本人和中国人的 数据库；US Army数据库。环节的大小和质量等性质可以从数据库中提取。多种人体模型展现形式人体模型能够以骨骼、男性皮肤、女性皮肤、椭球体模型、碰撞假人模型、棍图 等多种形式展现。在仿真过程中各种形式可以相互转换。L J环节精度可以调节hi7 3创建的基础人体模型是19环节的，有的多块骨骼结合成一个环节。根据研究精 度的要求，可以将一个多骨骼环节拆分成多个单骨骼环节。三种创建身体的方 式根据身高、体重、性别简单的创建

6、身体环节； 根据测量的50个身体形态学参数创建身体环节； 根据测量的22个关节的位置数据创建身体环节。完全成比例的骨骼所有的骨骼图形都是根据形态学数据库的数据成比例生成的。形态学数据库中既 包括成年男女，也包括儿童。身体文件的导入和导出巨大的身体姿势数据库不仅有标准姿势数据库，而且用户能够向姿势数据库中添加保存更多的姿 势。能够模拟任何生物体（2）.关节自动生成人体的关节自动生成20个三轴关节。在每个关节自由度上能够个性化的修改关节的活动范 围、力、摩擦、扭矩等。关节能够被个性化修改每个关节自由度上能够单独设置人体运动。具有力的特性的Hybrid III碰撞假人模型在受力仿真中，碰撞假人模型具

7、有力的特性。其运算法则中包括关节的摩擦、非 线性刚度/阻尼和关节活动范围。有力的作用的关节与光滑表面接触的关节用接触力和韧带的稳定作用模拟。关节轴的处理为调整模型姿势，每个关节轴都能通过控制面板进行调整。（3）.力每个关节轴都自动生成PD -servo controller。根据反向动力学记录的关节运动情况，PD-servo controller使人体模型在每个关节 自由度上在关节扭矩的驱动下按照反向动力学记录的关节运动情况运动。全身完整的肌肉/韧带模型关节能被韧带的力量稳定；也能被肌肉的力量驱动。肌肉模型是由一系列的弹簧 和阻尼器组成的。接触力工具用以模拟人体环节与环境的相互作用以及模型与模

8、型间的相互作用。（4）.运动可以由用户自主编写运动函数来设置模型的运动。任何动作捕捉设备可用于提供数据软件包含了与动作捕捉设备生成的标准ASCII格式的接口。完整的标志点自动就位调试受试者与模型间的差异和其他误差（5）.仿真反向动力学仿真人体模型在运动引导点的引导下完成动作，这个过程中，记录下每块肌肉的收缩 历史。正向动力学仿真根据反向动力学记录的肌肉/关节运动情况，在肌肉力量/关节扭矩的驱动下按照 反向动力学记录的肌肉/关节运动情况再次执行运动。从正向动力学仿真中，能够 获得肌肉的作用、时序、大小、力等。（6）.结果动画仿真的结果能够与数据结果的曲线同步的细致展现。仿真结果的电影也能够单独

9、生成。运动学能得出任何相对坐标系下的位移、速度、加速度等运动学数据。人体模型和机械 系统模型上的任何位置的运动轨迹也都能被记录下来。动力学人体模型的动力学数据包括关节扭矩、软组织张力、接触力等。人体模型与环境 等的相互作用力也能记录下来。6.输出的数据结果LifeMOD生物力学数字仿真软件输出模型的全身基础数据，包括运动学数据、关 节数据、软组织数据、接触数据以及用户自定义的其他三维的运动学、动力学数 据。平动用沿3个人体基本方向以及合量数据描述：沿人体矢状轴方向沿人体额状轴方向沿人体垂直轴方向合量转动用绕3个人体基本方向以及合量数据描述绕人体矢状轴方向绕人体额状轴方向绕人体垂直轴方向合量基础

10、的输出结果是： 运动学数据1) CM position环节质量中心的位置，包括：沿人体矢状轴方向沿人体额状轴方向沿人体垂直轴方向合量2) CM velocity环节质量中心的速度，包括：沿人体矢状轴方向沿人体额状轴方向沿人体垂直轴方向合量3) CM acceleration环节质量中心的加速度，包括：沿人体矢状轴方向沿人体额状轴方向沿人体垂直轴方向合量4) CM angular velocity环节旋转的角速度，包括：绕人体矢状轴方向绕人体额状轴方向绕人体垂直轴方向合量5) CM angular acceleration环节旋转的角加速度，包括: 绕人体矢状轴方向绕人体额状轴方向绕人体垂直轴方

11、向合量关节数据6) Angle关节角度，包括：人体矢状面上人体额状面上人体垂直面上7) Force关节力，包括：人体矢状面上人体额状面上人体垂直面上8) Torque关节扭矩，包括：人体矢状面上人体额状面上人体垂直面上 软组织数据9) Contraction (各个肌肉的)形变10) Tension接触数据11) 接触力，包括沿人体矢状轴方向沿人体额状轴方向沿人体垂直轴方向合量12) 接触力矩，包括 绕体矢状轴方向绕人体额状轴方向 绕人体垂直轴方向 合量（各个肌肉的）肌张力（7）.应用现状在国际范围内，LifeMOD软件被学术界认可。近年来，使用该软件进行的多项人 体动态模拟和仿真研究成果，被

12、撰写成数十篇学术论文，发表于国际知名的生物 力学学术会议以及生物力学学术期刊，被认为是目前人体生物力学研究中最前沿 的方法。同时，通过与百余家世界顶级的商业机构和研究机构的合作，LifeMOD 软件也获得了应用界的认可，在运动鞋、体育器材、假肢等新产品的研究开发中 发挥着越来越重要的作用。在国内，大连理工大学、湖南大学、青岛理工大学、河北体育学院等高校都已成 为LifeMOD生物力学数字仿真软件的用户，用以进行三维人体的动态数字仿真 研究。2005年，我公司使用LifeMOD生物力学数字仿真软件，成功完成国家体育总局 科研项目自行车运动员和骑行技术的数字仿真模型建立，获得国家体育总局 自行车击

13、剑运动管理中心的首肯；2006年，在此次科研的基础上，我公司 继续使用LifeMOD生物力学数字仿真软件承担国家科技攻关计划项目女子自 行车重点运动员场地技术动作的生物力学分析研究，通过对真实的运动员的技 术动作进行建模，不仅精确地重现运动员的技术动作，并且对设计改进的新技术 动作进行仿真分析，为寻找最优骑行技术，专项力量训练提供基础。这将是我国 体育科研跨入新阶段的标志。（8）.展望数字仿真技术是一项成熟的技术，在工程部门广泛应用于产品设计和开发的各个 方面，是分析复杂产品性能、强度、可靠性的一项关键技术，对仿真技术在体育 领域的应用具有很强的借鉴作用。在体育领域引入数字仿真，是目前体育科研领 域最前沿的课题。LifeMOD生物力学数字仿真软件处于最尖端的数字仿真领域， 开创了三维人体动态计算机模拟和仿真研究的新纪元。应用该软件进行人体的动 态模拟和仿真，根据研究对象的个体特征建立相应的个性化模型；模拟现有的动 作技术，进行仿真分析；针对某一个运动员的具体情况，分析影响成绩的因素的 大小，计算出适合个体的最佳动作技术，并动态呈现设计的最佳动作技术的图 像；有效的预测运动中可能出现的运动损伤以及损伤产生的条件；更有针对性的 提供肌肉力量的数据，从而更有效的辅助专项力量训练。LifeMOD生物力学数字 仿真软件在体育领域的应用对体育科技水平的提高有着极其重要的意义。