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基于有限元的人工髋假体生物力学仿真分析及实验研究

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基于有限元的人工髋假体生物力学仿真分析及实验研究

作者：赵亚南东北大学

学位级别：硕士

由于事故、病变等原因造成髋关节功能性受损,极大地影响了工作和生活。目前解决此问题的方法主要为:全髋关节置换术、半髋关节置换术。但临床上普遍应用的标准型髋假体在结构上并不满足个性化需求,其材料和加工制备方法在提高假体使用... 详细信息

由于事故、病变等原因造成髋关节功能性受损,极大地影响了工作和生活。目前解决此问题的方法主要为:全髋关节置换术、半髋关节置换术。但临床上普遍应用的标准型髋假体在结构上并不满足个性化需求,其材料和加工制备方法在提高假体使用寿命及术后康复等情况需要进一步探讨研究。因此,设计符合个体生理结构的定制型假体、在快速成型技术的支持下,选取合理的材料制备出力学性能优异的定制型假体样品,对治疗髋关节问题是至关重要的。同时,利用有限元技术在生物力学领域的灵活应用,辅助人工假体的设计及力学性能评价,是生物力学领域的有效手段。本文研究工作主要包括以下几个方面:(1)获取人体CT影像数据,利用医学图像处理软件对所获图像进行数据处理。应用医学图像预处理、图像分割和区域增长等技术重建股骨三维模型,并对其轮廓进行光滑修整。通过重建的股骨三维结构可提高判断病情的准确性,并对后续建模有基础作用。(2)分析髋臼力和肌肉力加载情况,利用重建好的三维股骨模型,完成有限元模型,对股骨模型进行双足静止站立态和步态周期中所受峰值力态进行生物力学仿真分析,分析股骨的应力、应力遮挡率和变形情况。另外,对正常股骨模型进行自由模态分析,获取股骨振型及固有频率,了解股骨的固有频率,可防止植入物与股骨发生共振或谐振,导致手术失败。(3)股骨的生理仿真分析,为打造定制型髋假体提供便利条件。为设计出个性化定制的假体,需使股骨假体与股骨髓腔良好的匹配,且结构合理,本文基于股骨髓腔轮廓设计出两种定制型假体:个性化假体和衬套假体。并模拟临床手术过程进行假体与股骨装配,建立装配体有限元模型,并进行两种运动状态下的静态分析和模态分析。对比两种假体的应力、变形、应力遮挡率和模态变形,确定最佳股骨假体模型。(4)应用激光烧结设备烧结Ti6Al4V粉末,设置不同的激光扫描速度,制备出股骨假体样品。对试件进行显微金相组织分析、显微硬度检测、拉伸性能评定、摩擦磨损试验检测。分析不同扫描速度下股骨样品的性能,得到最佳扫描速度下的个性化假体样品,满足人体股骨对抗拉强度、硬度和耐磨损的需求。为人工假体的制备、设计及安全性评估起到参考价值。

关键词：三维重建定制型髋假体生物力学仿真激光快速成型力学性能

模仿太极推手的柔顺机械臂人机交互生物力学仿真

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模仿太极推手的柔顺机械臂人机交互生物力学仿真

作者：王昆北京交通大学

学位级别：硕士

安全性、舒适性的人机交互是服务机器人领域的一大热点及难点问题,为了研究人机共融环境下柔顺机械臂的人机交互过程,选取柔顺交互的典型运动——太极推手作为人机交互过程的代表,通过生物力学测量技术得到太极推手的运动学与力学数据,... 详细信息

安全性、舒适性的人机交互是服务机器人领域的一大热点及难点问题,为了研究人机共融环境下柔顺机械臂的人机交互过程,选取柔顺交互的典型运动——太极推手作为人机交互过程的代表,通过生物力学测量技术得到太极推手的运动学与力学数据,并在LifeMOD中实现单独人体太极推手动力学仿真,通过建立人体上肢运动学模型分析了人体上肢的运动学特性,最终建立仿人体上肢的柔顺机械臂与人体的共融模型,利用LifeMOD/ADAMS软件实现了人体-柔顺机械臂太极推手运动的交互生物力学仿真。本论文完成的主要工作如下:运用FAB运动捕捉系统和MYO臂环对太极推手的基础运动——定步平圆单推手进行运动生物力学测量实验,获取运动学数据、足底力数据以及右前臂肌肉的表面肌电信号,并对测量结果进行数据处理及分析。利用LifeMOD生物力学仿真软件,建立了被测试者的虚拟人体模型,包括19个基础环节、18个关节以及全身118个肌群,将实验测量的运动数据处理转换后导入到人体模型中,在LifeMOD软件中实现了测试者人体模型单独进行太极定步平圆单推手运动的生物力学仿真,通过仿真得到并分析了的人体各部位运动变量、关节力矩以及肌肉力等数据。利用机器人学理论方法,建立了人体右上肢的运动学模型,共包含6个自由度:肩关节的屈/伸、外展/内收,肘关节的屈/伸、外旋/内旋以及腕关节的屈/伸、外展/内收,运用D-H法建立了模型的后置坐标系并利用坐标变换求得掌心的运动学正解,采用遍历法确定掌心的可达工作空间,运用微分变换法求解出模型的雅克比矩阵,并以可操作度为指标分析了上肢模型在太极推手过程中的灵活度。利用ADAMS建立了仿人体上肢的6-DOF柔顺机械臂三维虚拟模型,其中每个关节采用扭转弹簧阻尼器实现关节的柔顺性。利用LifeMOD/ADAMS建立了人体-柔顺机械臂共融模型,并实现了人体主动式的人-机械臂太极推手人机交互生物力学仿真以及模仿太极推手的人-柔顺机械臂交互生物力学仿真。对比单独人体太极推手仿真和模仿太极推手人机交互仿真中的人体关节位移及关节力矩发现:人体关节刚度可随外负载的变化而改变。此外,对不同关节刚度的柔顺臂进行了模仿太极推手的人机交互仿真试验,对比分析交互过程的接触力得出结论:机械臂关节刚度的降低可降低人机交互过程接触力,从而提高人机物理交互的安全性。

关键词：柔顺机械臂人机交互太极推手生物力学仿真 LifeMOD

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跨栏起跨腿跟腱生物力学仿真分析

跨栏起跨腿跟腱生物力学仿真分析

作者：李琳杰上海体育学院

学位级别：硕士

研究目的：本研究利用结合运动追踪技术和肌肉骨骼模型的OpenSim生物力学仿真方法,建立下肢肌肉-骨骼模型，并采用基于动态优化的方法来计算下肢肌肉的即时受力，对跟腱负荷和肌肉-跟腱单位的拉伸进行生物力学分析。实验并参考短跑运动... 详细信息

研究目的：本研究利用结合运动追踪技术和肌肉骨骼模型的OpenSim生物力学仿真方法,建立下肢肌肉-骨骼模型，并采用基于动态优化的方法来计算下肢肌肉的即时受力，对跟腱负荷和肌肉-跟腱单位的拉伸进行生物力学分析。实验并参考短跑运动员跟腱在相应着地缓冲蹬地时期的相应数据指标进行对比，研究分析跟腱组织的机械特性，分析可能引起跟腱损伤的机制。该研究可以为跨栏运动跟腱伤病的预防提供科学依据，为教练员改进训练方法提供理论依据，也为进一步的跟腱损伤研究奠定基础。研究方法：使用VICON红外高速摄影系统、KISTLER三维测力台和表面肌电仪对10名运动员在完成起跨攻栏时期的起跨腿腿和短跑运动中的同侧腿的着地缓冲蹬伸离地时期数据进行采集，运用Workstation和Bodybuilder软件进行建模和数据处理分析，使用Opensim软件进行跟腱数据仿真处理，主要数据分析指标包括关节角度（JOINT ANGLE)、关节力矩（JOINT MOMENT）、地面反作用力（GRF）、肌肉跟腱单位拉伸（MUSCLE-TENDON UNITE STRAIN)，肌肉跟腱负荷（MUSCLE TEDONLOADING)和肌肉对身体重心加速度贡献率（MUSCLE CONTRIBUTION TOACCELERATION OF BODY CENTER),最后应用Excel2003对数据进行统计并作图。研究结果：1）仿真结果动作完整流畅与真实运动接近，运动学指标与表面肌电中肌肉动员程度等数据与基准数据高度无明显差异;2）跨栏与短跑起跨期踝关节、膝关节关节角度、力矩在在不同方向上的运动呈现不同程度的显著性差异，差异性体现了跨栏同短跑相比不同的关节活动顺序;3）肌肉-肌腱单位在跨栏运动时比短跑运动时产生更大的形变拉伸，峰值出现的时间上有差异.跨栏支撑后期跟腱受力达到峰值,承受巨大的负荷,跨栏腓肠肌和比目鱼肌在垂直方向上的贡献更多;4）与现有跟腱研究方法相比，Opensim力学仿真方法在建模和受力计算方面更加先进，仿真结果也比较准确。研究结论：1）利用Opensim软件进行的跨栏起跨腿跟腱的生物力学仿真结果的具有准确性;2）跨栏与短跑相比，在垂直方向上承受了更大的地面反作用力，因而对跟腱会产生更大的冲击力，存在较大的损伤风险;3）同短跑相比，跨栏跟腱更容易在蹬伸爆发用力时期发生损伤;4）利用Opensim软件的仿真研究，对受试者本身没有伤害隐患，在数据采集和处理方面更加方便，易行，Opensim的开源性也为接下来的研究提供了极大地便利

关键词：跨栏跟腱生物力学仿真运动损伤

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基于生物力学仿真的修井机操作舱舒适度研究

基于生物力学仿真的修井机操作舱舒适度研究

作者：赵摇摇西安石油大学

学位级别：硕士

修井机司钻工作业时间长、负荷大,注意力高度集中,若司钻工在不舒适的姿势下工作,容易引发早期疲劳,不但影响工作效率还会增大误操作率,长时间处于此种不良工作姿态下,还可能加大某些职业病的患病几率,带来不可恢复的身体伤害。而操作... 详细信息

修井机司钻工作业时间长、负荷大,注意力高度集中,若司钻工在不舒适的姿势下工作,容易引发早期疲劳,不但影响工作效率还会增大误操作率,长时间处于此种不良工作姿态下,还可能加大某些职业病的患病几率,带来不可恢复的身体伤害。而操作舱人机布置在很大程度上决定了司钻工作业姿态的舒适性,为了延缓司钻作业早期疲劳的出现,提高工作效率,降低职业病发病概率,本文从生物力学角度出发,提出了一种基于生物力学仿真的修井机操作舱舒适度评价方法,其主要研究内容如下:(1)分析目前主流的几种不舒适度评价模型,结合司钻现场作业分析修井机操作舱的人机布置需求,提出了基于肌肉激活度的修井机操作舱不舒适度评价方法。(2)通过AnyBody Modeling System(AMS)软件建立修井机操作舱人机交互仿真模型,并设置仿真模型的边界条件与运动学参数,研究修井机操作舱布置参数与人体不舒适度的对应关系,以主要布置参数(刹把铰接位置、座椅高度)为自变量,建立了其人体各部位局部不舒适度评价模型;然后,运用相关分析法建立了人体各部位局部不舒适度与人体全身不舒适度关系模型,通过关系迭代构建了人体全身不舒适度的评价模型。(3)基于修井机操作舱模拟实验平台,以P50百分位人群为被试对象进行相关实验,运用灰色关联投影法处理实验数据,并与基于肌肉激活度的不舒适度评价模型的计算结果进行对比分析,其结果初步验证了修井机操作舱不舒适度评价模型的有效性。

关键词：生物力学仿真舒适度人机交互仿真模型肌肉激活度

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生物力学仿真技术在航空医学研究中的应用

空军军医大学学报 2024年第2期45卷 211-215页

作者：刘洋王航曹新生空军军医大学航空航天医学系航空航天人机工效学教研室陕西西安710032

生物力学仿真技术已经应用于众多领域,如车辆工程、生物医学工程、航空航天医学以及康复工程等。由于航空医学问题的特殊性,实验难以模拟真实的航空环境如弹射救生等,生物力学仿真技术凭借其强大的仿真建模和数据计算能力可以很好地解... 详细信息

生物力学仿真技术已经应用于众多领域,如车辆工程、生物医学工程、航空航天医学以及康复工程等。由于航空医学问题的特殊性,实验难以模拟真实的航空环境如弹射救生等,生物力学仿真技术凭借其强大的仿真建模和数据计算能力可以很好地解决这个问题,并且在航空医学研究中得到广泛的应用。本文对近10年来国内外生物力学仿真技术在航空医学研究中的应用进行归纳分析,从3个方面对其进行论述,分别是航空医学研究中的典型生物力学问题、生物力学仿真技术在航空医学中的应用、生物力学仿真技术未来发展方向,重点阐述生物力学仿真技术在飞机机动过载引起颈部损伤、弹射救生引起脊柱损伤以及空降着陆过程中引起下肢损伤中的应用。

关键词：生物力学仿真航空医学弹射救生空降

基于OpenSim的人体下肢生物力学性能仿真实验

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实验技术与管理 2023年第8期40卷 120-125页

作者：颜兵兵吴豪豪毕冉马常友杜云明佳木斯大学机械工程学院黑龙江佳木斯154007

强化人体生物力学性能分析能力有助于提高学生处理外骨骼机器人研究过程中解决人机共融技术问题的技术手段。该文以助力型外骨骼机器人为研究背景,基于OpenSim仿真平台提出了一个人体下肢生物力学性能分析实验教学方案,以技术层、输入... 详细信息

强化人体生物力学性能分析能力有助于提高学生处理外骨骼机器人研究过程中解决人机共融技术问题的技术手段。该文以助力型外骨骼机器人为研究背景,基于OpenSim仿真平台提出了一个人体下肢生物力学性能分析实验教学方案,以技术层、输入层、模型层和输出层体系结构为视角,梳理出由人体下肢运动信息采集到生物力学性能分析的实验仿真流程。使用OpenSim软件建立人体下肢参数化肌骨模型,经由逆运动学和逆动力学求解器获取下肢运动过程中的关节角与关节力矩,为助力型外骨骼的助力机制研究提供数据支撑。

关键词：实验教学设计 OpenSim 生物力学仿真人体下肢运动

胫骨内侧应力在跑步运动过程中的计算机仿真分析

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中国组织工程研究 2025年第27期29卷 5802-5809页

作者：孙媛杨晨马运超北京师范大学体育与运动学院北京市100875 山东体育学院运动与健康学院山东省济南市250100 曲阜师范大学体育科学学院山东省曲阜市273100

背景:内侧胫骨应力综合征是困扰跑步者的一种常见的下肢慢性损伤,其损伤机制可能与“肌肉牵引”假说有关,然而这种假说还没有得到完全的证实。目的:使用肌骨仿真系统和有限元分析等方法,考察比目鱼肌、胫骨后肌、趾长屈肌在跑步过程中... 详细信息

背景:内侧胫骨应力综合征是困扰跑步者的一种常见的下肢慢性损伤,其损伤机制可能与“肌肉牵引”假说有关,然而这种假说还没有得到完全的证实。目的:使用肌骨仿真系统和有限元分析等方法,考察比目鱼肌、胫骨后肌、趾长屈肌在跑步过程中的收缩特征是否与跑步时胫骨内侧缘的应力水平存在相关性,从而影响内侧胫骨应力综合征的发生与发展。方法:将6名受试者不同速度跑步时的动作捕捉数据输入Anybody Modeling System骨肌仿真系统,对2.5,3.5,4.5 m/s三种跑步速度情况下的步态支撑期进行逆动力学仿真,将仿真得到的边界条件与有限元模型结合,考察胫骨内侧的应力分布情况。使用偏最小二乘回归方法分析自变量(肌力、弹性势能)与因变量(胫骨应力)之间的相关性。结果与结论:①胫骨应力水平在支撑期(1%-50%)存在速度间的统计学差异(P=0.044,F=3.834,η_(p)^(2)=0.040);②3种速度下,比目鱼肌的肌力与胫骨应力之间的平均相关性最高(r=12.999),其次胫骨后肌肌力与胫骨应力的平均相关性排名第二(r=-10.735),然后依次是趾长屈肌肌力(r=-9.751),胫骨后肌弹性势能(r=8.012),比目鱼肌弹性势能(r=9.076),趾长屈肌弹性势能(r=-4.782);③结果表明,跑步速度的增加,胫骨应力水平随之上升;比目鱼肌的收缩及吸收的弹性势能在跑步过程中的释放对于内侧胫骨应力综合征的发展将产生不可忽略的影响,而胫骨后肌和趾长屈肌的作用被高估了;综合来看,研究支持了“肌肉牵引”假说中比目鱼肌的收缩对内侧胫骨应力综合征发展发挥作用的推论。

关键词：胫骨应力综合征生物力学仿真内侧胫骨应力综合征 anybody modeling system Abaqus 有限元分析

摆幅可调型足部康复机器人的生物力学特性分析

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医用生物力学 2021年第5期36卷 692-697页

作者：彭晨卢宗兴姚立纲戴飞铭福州职业技术学院机电工程系福州大学机械工程及自动化学院

目的基于人机工程学和生物力学仿真技术,对人体肌肉进行生物学评价,研究摆幅可调型足部康复机器人的康复策略。方法在Any Body中建立人体和摆幅可调型足部康复机器人的人机耦合模型,并对耦合模型进行运动学仿真,将仿真结果与理论计算结... 详细信息

目的基于人机工程学和生物力学仿真技术,对人体肌肉进行生物学评价,研究摆幅可调型足部康复机器人的康复策略。方法在Any Body中建立人体和摆幅可调型足部康复机器人的人机耦合模型,并对耦合模型进行运动学仿真,将仿真结果与理论计算结果相比,验证耦合模型的可靠性;再利用Any Body中的参数研究机制对验证后的耦合模型进行生物力学仿真,以足部康复机器人的运动速度和摆幅为变量,分析在不同变量组合下的肌肉活动度和肌肉力。结果在康复运动中足部相关肌肉的拉伸性能得到有效训练,不同的运动速度和摆幅对肌肉的影响不同,并得出运动速度和摆幅调节的安全范围。结论实现了不同运动速度和摆幅下肌肉活动度和肌肉力的组合分析,研究结果对足部康复机器人的临床应用和被动康复模式下康复策略的制订具有一定指导意义。

关键词：生物力学仿真足部康复人机工程康复策略

基于跑步动作肌纤维主动力仿真的下肢皮肤形变表征

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纺织学报 2023年第3期44卷 195-200页

作者：张龙琳石茜张敏周莉李新荣西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院重庆400715 纺织服装产业互联网研究院北京100036 重庆市生物质纤维材料与现代纺织工程技术研究中心重庆400715 天津工业大学机械工程学院天津300387

为探究跑步运动时女性下肢肌肉、皮肤形变与服装运动功能性之间的关系,通过生物力学仿真系统对周期跑步运动人体下肢肌肉的肌纤维主动力进行分析,选取肌纤维主动力均值明显的肌肉,将其峰值所在的时间帧对应的动作作为关键帧动作,并使用... 详细信息

为探究跑步运动时女性下肢肌肉、皮肤形变与服装运动功能性之间的关系,通过生物力学仿真系统对周期跑步运动人体下肢肌肉的肌纤维主动力进行分析,选取肌纤维主动力均值明显的肌肉,将其峰值所在的时间帧对应的动作作为关键帧动作,并使用手持式三维扫描仪对关键帧动作的下肢皮肤进行扫描;综合左右半身的皮肤形变情况,分析不同动作的下肢皮肤形变数据差异性,同时对比动静态人体模型展开的细分曲面。研究发现:臀围到中腿围区域的体后侧、臀围至大腿围区域的体前侧的变化幅度最大,膝关节附近区域变化幅度较大,其它区域变化不明显。本文研究可为相关裤装结构设计与研究提供参考。

关键词：跑步动作生物力学仿真肌纤维主动力皮肤形变模型细分曲面运动服装