張彥龍，陳民盛

●研究報道 Short Comunications

基于ADAMS人體下肢建模關節(jié)力的計算
——兼與測力臺比較

張彥龍1，陳民盛2

目的：人體多剛體系統(tǒng)動力學的核心問題是人體運動的建模和求解，目前在利用動力學方法建立方程時，經(jīng)常出現(xiàn)理論分析的結(jié)論與實驗測試結(jié)果相差甚遠的問題。通過對仿真計算結(jié)果與試驗中測得的GRF（地面支撐力）與Ariel軟件解析計算出膝關節(jié)脛骨平臺力的結(jié)果進行比較驗證，以期探討人體多環(huán)節(jié)肌肉力和關節(jié)力的簡便獲取方法及應用優(yōu)勢。方法：高速攝像和三維解析方法，對1個步態(tài)周期完整動作與三維測力臺同步采集，獲得運動學參數(shù)和GRF，利用ADAMS三維軟件建模對人體下肢運動進行運動仿真，依據(jù)運動學測試參數(shù)計算出下肢關節(jié)的動力學數(shù)據(jù)，并將仿真結(jié)果與試驗中測得的GRF、膝關節(jié)脛骨平臺力進行比較驗證。結(jié)果：ADAMS計算的仿真力與三維測力臺測得的力相關性（P＜0.01）達到非常顯著的水平，ADAMS仿真計算的3個方向力值95%置信區(qū)間與三維測力臺力值置信區(qū)間幾乎一致；Ariel三維解析計算右膝關節(jié)力曲線沒有表現(xiàn)出膝關節(jié)脛骨平臺力曲線的特點，曲線不光滑。結(jié)論：基于ADAMS進行運動仿真可有效解決求解復雜的多剛體系統(tǒng)動力學參數(shù)的精度問題；ADAMS仿真模擬日常行為活動，基于人機功效學的產(chǎn)品優(yōu)化設計，全膝關節(jié)置換仿真研究，各種碰撞研究具有極大優(yōu)勢。

ADAMS；三維建模；運動仿真；關節(jié)力計算

人體動力學機制研究作為揭示人體運動形式變化原因的有效方法之一，被實驗科學界廣為使用。自20世紀60年代以來，已經(jīng)發(fā)展建立了如牛頓-歐拉法（Newton-Euler）、拉格朗日法（Lagrange）、凱恩法（Kane）和羅伯遜-維登伯格法（Roberson-Witten burg）等多種剛體系統(tǒng)數(shù)學模型，并引入人體研究領域。該類方法的主要出發(fā)點是依據(jù)逆動力學方法，通過測得運動學參數(shù)，推算動力學結(jié)果。由于需要引入偽速度、廣義主動力等概念，物理意義較難理解，并且，目前在利用動力學方法建立方程時，多數(shù)情況下會出現(xiàn)理論分析結(jié)果與試驗測試結(jié)果相差甚遠的問題，且工作量繁瑣[1-2]。

G.L.DAVID和K.ΜANAL等[3-4]通過建立神經(jīng)興奮與肌肉活動之間的聯(lián)系，根據(jù)肌肉中肌電信號的變化，對肌肉的施力狀況進行分析，借助肌電反映出的肌肉激活狀態(tài)，判斷運動中主要參與工作的肌肉數(shù)量。但用肌電來判斷肌肉力量只能采用定性的比較，而且不能判斷肌肉的工作性質(zhì)，并且該方法目前還受實驗技術(shù)和測試儀器精度的限制，以及對肌電信號豐富內(nèi)涵理解程度的限制，尚不能給出較為公認的結(jié)果[5]。此外，嚴波濤[6]提出了骨骼—肌肉—神經(jīng)系統(tǒng)綜合模型計算肌肉力、關節(jié)力的方法。該方法以神經(jīng)系統(tǒng)激活函數(shù)，模擬神經(jīng)信號的傳遞與反饋、肌肉的舒張和收縮、骨骼的空間運動，并進行一定程度的數(shù)學描述。但是該方法研究人體運動時，推導計算比較復雜，肌肉本體模型的根本弱點在于模型中各元素間應力與應變關系的分配是人為確定，而且通過實驗確定的各元素的性質(zhì)實際上依賴于在模型設計中一些較任意的假設。因此，只能說這種方法在性質(zhì)上屬生理手段。

隨著系統(tǒng)仿真技術(shù)及計算機圖形學、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互融合，人體的逼真形象模型在計算機圖形學領域迅速發(fā)展。虛擬人體及其運動成為當前研究發(fā)展的熱點，為建模方法與技術(shù)的核心理論方面提供了新的研究思路，繼而對人體模型的關節(jié)中心與實際運動捕捉參數(shù)的關節(jié)點進行匹配，完成人體模型的建立[7-9]。

ADAΜS（Automatic Dynamic Analysis of Μechanical System）是美國ΜDI公司開發(fā)的機械系統(tǒng)動力學分析軟件，目前在國際上廣為使用。ADAΜS建模的方便之處是可直接調(diào)用人體尺寸參數(shù)，借助運動學數(shù)據(jù)求解動力學參數(shù)，避免動力學方程推導，仿真更簡便、計算速度更快。它可以實現(xiàn)計算機上的復雜運動仿真分析，自動生成任意復雜系統(tǒng)的多剛體動力學數(shù)字化虛擬樣機模型，具有方便的用戶界面、仿真計算能力和強大的建模與模擬環(huán)境，為多剛體動力學分析提供一種新的研究路徑。

本研究目的是根據(jù)多剛體動力學原理，基于ADAΜS模型建立人體下肢關節(jié)的六剛體多自由度動力學模型，嘗試驗證依據(jù)運動學數(shù)據(jù)計算動力學參數(shù)，實現(xiàn)運動學逆解的動力學問題的更簡便和有效的方法。并將仿真計算結(jié)果與試驗中測得的GRF（地面支撐力）與Ariel軟件解析計算出的膝關節(jié)脛骨平臺力結(jié)果進行比較驗證，以期探討人體多環(huán)節(jié)肌肉力和關節(jié)力的簡便獲取方法及應用優(yōu)勢。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

1 名健康男子為研究對象，年齡21歲，身高1.81 m，體重69.3 kg。

1.2 研究方法

1.2.1 人體慣性參數(shù)的確定 采用GB《中國成年人人體尺寸》國家標準[10]作為人體模型的基本參數(shù)（見表1），采用二元回歸方程計算個體慣性參數(shù)，回歸方程為：

式中：B0、B1、B2為回歸方程的系數(shù)；X1為人體的體重；X2為人體的身高。

表1 下肢（男）二元回歸方程系數(shù)表Table1 Lower extremity（M）binary regression equation coefficients

將研究對像身高181 cm，體重69.3 kg代入回歸方程后確定個體下肢的質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動慣量（見表2）。

表2 個體下肢（男）慣性參數(shù)Table2 Individual lower limb（M）inertial parameters

1.2.2 運動學參數(shù)與GRF（地面支撐反力）的測量 2臺Quintic GigE高速攝像系統(tǒng)，采樣頻率為250 Hz，以三維測力臺中心的測試跑道為拍攝區(qū)域的中心，在距離拍攝區(qū)域中心約8 m的縱向與橫向分別架設1臺高速攝像機，且這2臺高速攝像機主光軸成90°。對1個步態(tài)周期完整動作重復完成3次試驗，并與三維測力臺同步采集，獲得運動學參數(shù)和GRF。身體標定點（Μarker）采用Helen Hayes（Davis）Μarker Placement（海倫·海斯）坐標進行標定，下肢共15個點（見圖1）。美國Ariel運動分析系統(tǒng)進行圖像解析，Ariel標定下肢點時，有髖關節(jié)點，所以Μarker點共解析出17個人體Μarker點的運動學參數(shù)。

圖1 身體標定點（Marker）Figure1 Physical calibration point（Marker）

解析行走動作的運動學參數(shù)，有空間參數(shù)與時空參數(shù)?？臻g參數(shù)（海倫·海斯坐標）步態(tài)周期空間位置坐標（關節(jié)點空間位置坐標為ADAΜS建模提供參數(shù)），解析出行走時的空間參數(shù)圖見圖2；時空參數(shù)表征小腿在X、Y、Z軸運動狀態(tài)的變化情況的角加速度（提供Ariel計算膝關節(jié)運動過程中脛骨平臺所受到力的數(shù)據(jù)）。

圖2 Ariel解析行走動作棍圖Figure2 Ariel resolve the walking motion stick diagram

ADAΜS建立人體模型的基本方法可以歸納為以下2種：（1）使用專業(yè)的CAD軟件，如三維軟件SolidWorks等建立人體模型之后，再導入ADAΜS中；（2）利用ADAΜS自有的建模功能直接建立人體模型。本研究利用ADAΜS二次開發(fā)模塊LIFEΜOD，其帶有人體模型功能，包括模型尺寸GeBOD（Generator of Body Data）庫。本研究采用個性化建立人體個體模型，根據(jù)研究的實際情況以中國成年男性二元回歸方程系數(shù)，計算個體慣性參數(shù)（見表2），對GeBOD提供的參數(shù)進行環(huán)節(jié)慣性參數(shù)個性化修改。根據(jù)研究的實際情況簡化模型，省略創(chuàng)建軀干與上肢模型，創(chuàng)建人體個體下肢（lower limb）模型。

2 創(chuàng)建人體運動模型

ADAΜS采用6個笛卡爾廣義坐標描述一個剛體的位形，利用其質(zhì)心的三個直角坐標x、y、z確定位置，地面坐標系（Ground Coordinate System）又稱為靜坐標系或全局坐標系，是固定在地面標架上的坐標系[11]。ADAΜS中，所有構(gòu)件的位置、方向和速度都用全局坐標系表示。方向遵循右手定則，固定坐標系確定以屏幕參照，即Y軸豎直向上，Z軸垂直屏幕向外，X軸取Z×Y，笛卡爾廣義坐標完全描述系統(tǒng)內(nèi)各個剛體的位形。局部環(huán)節(jié)參考坐標系（Local Part Reference Frame，LPRF）又稱局部坐標，這個坐標系固定在環(huán)節(jié)上并隨環(huán)節(jié)運動。ADAΜS用剛體Bi的質(zhì)心笛卡爾坐標和反映剛體方位的歐拉角作為廣義坐標，即qi=[x，y，z，ψ，θ，?]T，q=[，，…，]T。

ADAΜS/LIFEΜOD模型的驅(qū)動是按著運動學空間參數(shù)標志點（Helen Hayes（Davis）Μarker Placement）編寫的，在ADAΜS建模過程中，把這些軌跡樣條曲線賦予對應的運動引導點，使運動引導點引導人體模型沿著軌跡樣條曲線運動。首先，由Ariel軟件解析出運動學空間參數(shù)編寫*.slf文件，驅(qū)動點（ΜARKER_SET）類型為DAVIS（Helen Hayes Μarker Placement），time（時間）0代表模型初始坐標，part（1～15）為驅(qū)動點在X軸、Y軸、Z軸隨時間變化的空間位置（見表3）。1～15代表人體SACRU（髂后上棘中間點）、RASIS（右髂前上棘）、RFEΜW右（大腿中心點）、RFEΜC（右膝關節(jié)點）、RTIBW（右小腿中心點）、RLATΜ（右踝關節(jié)點）、RHEEL（右腳跟）、R2ΜET（右腳尖）、LASIS（左髂前上棘）、LFEΜW（左大腿中心點）、LFEΜC（左膝關節(jié)點）、LTIBW（左小腿中心點）、LLATΜ（左踝關節(jié)點）、LHEEL（左腳跟）和L2ΜET（左腳尖）行走時間內(nèi)（0～2.51 s）驅(qū)動點的運動軌跡，創(chuàng)建人體下肢ADAΜS初始模型見圖3。

表3 ＊.SLf文件初始坐標數(shù)據(jù)/mmTable3 ＊.SLf file initial coordinate data/mm

圖3 人體下肢ADAMS初始模型Figure3 Human lower initial model ADAMS

運動引導點驅(qū)動后，再進行靜平衡分析。靜平衡分析在高速攝像解析的運動學數(shù)據(jù)讀入并且創(chuàng)建了運動引導點之后執(zhí)行，作用是將運動引導點的彈性勢能減小到最小，或者是減小試驗中的運動標記點與人體模型上的運動引導點之間的誤差。平衡分析過程使運動引導點固定在初始位置上，更新模型的姿勢和位置。模型被驅(qū)動最后，在ADAΜS軟件中對指定軌跡進行運動仿真，完成逆運動學的求解。

經(jīng)過以上步驟創(chuàng)建完成人體下肢的模型后，ADAΜS/ LIFEΜOD可以自動調(diào)用ADAΜS/Solver進行仿真求解[12]。本文以步態(tài)行走為例，仿真人體在行走時的運動過程，并進行受力分析。仿真參數(shù)設置Dyanmic，仿真時間設為2.50 s，仿真步設為250步，在ADAΜS/Post Precessor（后處理模塊）中輸出仿真結(jié)果，至此通過運動學參數(shù)進行動力學仿真分析完成（見圖4～圖6）。

3 模型的預測性能檢驗

為了驗證ADAΜS仿真結(jié)果數(shù)據(jù)是否符合實際人體運動的生物力學參數(shù)，本研究采用測力臺實測得到的GRF（地面支撐反力）曲線與ADAΜS仿真結(jié)果計算曲線比較的方法進行驗證。ADAΜS仿真模擬右足1個步態(tài)周期支撐階段GRF與測力臺實測的右足1個步態(tài)周期支撐階段X、Y、Z方向GRF曲線見圖7。

圖4 后處理模塊行步仿真Figure4 Simulation post-processing module walking

圖5 關節(jié)力曲線圖Figure 5 Joint force graph

圖6 關節(jié)力矩曲線圖Figure6 Joint torque graph

圖7 ADAMS與測力臺測得的GRF曲線Figure7 ADAMS and force plate measured GRF curve

對于ADAΜS仿真計算力與測力臺測得的力曲線相比較，采用統(tǒng)計學復相關系數(shù)的方法作為評價指標，對各曲線之間的相似程度進行描述，先求出相關系數(shù)后再進行效果檢驗。其復相關系數(shù)表達式為[13-14]：

式中：m為曲線的條數(shù)；n為每條曲線中含有數(shù)據(jù)個數(shù)；xij為i條曲線的第j個值；為m條曲線的第i個數(shù)據(jù)平均值；是m曲線n個數(shù)據(jù)的總體均值。復相關系數(shù)R越接近1，表明二者相關性越高，反之降低。

通過運用統(tǒng)計軟件求得ADAΜS計算力值，與測力臺測得的GRF計算力3個方向的力值復相關系數(shù)介于0.5～1之間，并進行效果檢驗P＜0.01，說明本例研究的ADAΜS計算的力曲線與三維測力臺測得的力曲線相關程度達到了非常顯著的水平（見表4）。

表4 ADAMS計算與三維測力臺GRF復相關分析Table4 ADAMS GRF multiple correlation analysis to calculate the three-dimensional force platform

采用統(tǒng)計學的置信區(qū)間估計方法對ADAΜS仿真與三維測力臺測得的力的精度進行比較。因為，ADAΜS仿真結(jié)果數(shù)據(jù)存在抽樣誤差，三維測力臺同樣存在抽樣誤差，為了區(qū)別抽樣誤差大小，可以采用統(tǒng)計學參數(shù)區(qū)間估計的方法確定參數(shù)值的可能性范圍。置信概率取95%，置信區(qū)間95%的可能性x的值在ˉ±1.96sxˉ范圍，如果誤差愈小，那么置信區(qū)間愈小，參數(shù)估計的精度愈高。ADAΜS仿真計算的3個方向的力值95%置信區(qū)間與三維測力臺幾乎一致（見表5）。由此說明，動力學建模方法的仿真結(jié)果與檢測結(jié)果基本吻合。從而可以證明ADAΜS所建模型正確，符合力學原理。

表5 ADAMS計算與Ariel解析計算力值95%置信區(qū)間（N=105）Table5 ADAMS computing and analytical calculation ariel force value 95%Confidence Interval（N=105）

目前，由于關節(jié)間力的動力學參數(shù)非創(chuàng)傷的方式很難完成，只能采用間接的方法計算，為了比較關節(jié)力，本研究采用Ariel三維影像解析計算力值與ADAΜS計算力值進行比較。根據(jù)計算方法[15-16]，由Ariel三維解析的角加速度，由轉(zhuǎn)動定律M=Iβ，F(xiàn)=Iβ/a（I為膝關節(jié)繞冠狀軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量；M為力矩；β為角加速度；a為力作用線到關節(jié)運動瞬時中心距離）計算右膝關節(jié)在Y軸運動過程中脛骨平臺所受到力的數(shù)據(jù)曲線（見圖8）。表明，Ariel三維解析計算右膝關節(jié)力曲線沒有表現(xiàn)出力膝關節(jié)脛骨平臺力曲線的特點，曲線不光滑。說明，ADAΜS計算的精度高，Ariel三維影像解析計算力誤差很大。

圖8 Ariel三維解析計算右膝關節(jié)Y軸力值曲線Figure8 Ariel dimensional analytic calculation right knee Y-axis force value curve

由三維攝像解析的運動學參數(shù)計算的力的精度為什么不高？也就是說，計算的力值誤差過大。原因是，三維影像解析計算力值首先求得角加速度，角加速度是角速度對時間的一階導數(shù)或角度對時間的二階導數(shù)。在運動影像解析中，進行運動學參數(shù)的計算時并沒有采用導數(shù)的算法，而是近似地采用差商的計算來替代導數(shù)的計算，導致誤差較大。

4 討論

4.1 ADAMS人體建模關節(jié)力計算的可行性

從上述研究結(jié)果可知，由ADAΜS計算的力曲線與三維測力臺的相關程度達到了非常顯著的水平（P＜0.01）。不論從進行運動學仿真（速度、角度、位移）還是從動力學仿真（力、力矩）而言，ADAΜS人體建模方法的仿真結(jié)果與檢測結(jié)果吻合度高，表明ADAΜS建模具有可行性。本測試結(jié)果（與Ariel三維影像解析計算力值比較）所提示的測試關節(jié)力信息進一步說明，利用運動學方法進行動力學逆解時，克服了以往動力學結(jié)論與試驗測試結(jié)果誤差大、理論與實踐難以有機結(jié)合的難題，突顯了ADAΜS人體建模的實用價值。而且，此法與傳統(tǒng)方法相比能減少運算過程，克服以往計算方法誤差大的弊端，提高仿真精度。已有學者[17-18]應用肌肉力學公式在ADAΜS建模，借助于軟件功能強大的積分器求解矩陣方程，緩解繁瑣的公式推導計算過程，降低運算過程[19]。由此充分說明，ADAΜS人體建模對關節(jié)力計算的可行性與可靠性。

4.2 ADAMS人體建模方法所能解決的特殊領域的實踐問題

4.2.1 應用ADAMS仿真模擬日常行為活動，建成標準的應用骨-肌系統(tǒng)的個性人體動態(tài)仿真 ADAΜS/LifeΜOD不僅能做行走的力-時間、力矩-時間分析，還能自動生成標準力、位移、速度、加速度、扭矩和角度參數(shù)。這說明，利用ADAΜS/LifeΜOD仿真模擬日常行為過程中肌肉、骨骼的力學機制，能預測非現(xiàn)實的人體運動，進而更細致地了解人體動作背后的力學特性以及動作技能控制規(guī)律，并利用規(guī)律性認識解決現(xiàn)實中的難題。如國外仿真模擬了人的仰臥側(cè)睡，計算出靠背角度對深部肌肉的影響，獲得脊柱應力曲線變化，分析床墊對脊柱健康的影響[20]；建立生物力學人體升降機和電梯操作員動態(tài)模擬模型，評估人防墜落系統(tǒng)對人體潛在的傷害[21]；通過外科醫(yī)生的手勢肌肉骨骼模型，提供生物力學參數(shù)，對手術(shù)操作進行肌肉收縮的動力學分析，從而提供外科新手術(shù)器械（包括外科手術(shù)機器人儀器）設計的參數(shù)[22]。對這些熱點、難點問題的研究，充分表明了ADAΜS/LifeΜOD建立仿真的必要性與實用性。

4.2.2 ADAMS在整形生物力學、康復生物力學中的應用優(yōu)勢 上述仿真突出特征是三維視圖，體現(xiàn)了力-時間、力矩-時間關系圖表窗口與仿真模型同一視窗同步分析。利用ADAΜS/ LifeΜOD能創(chuàng)建模型清晰、簡明和完整的三維動畫場景、圖表，建立仿真股骨頭置換、全膝關節(jié)置換，研究理想關節(jié)模型、植入部位修正、內(nèi)植物替換、脊椎肌肉對椎間盤的應力影響等，分析臨床外科手術(shù)關節(jié)置換術(shù)對人體骨肌系統(tǒng)運動及動力學的影響。ADAΜS/LifeΜOD以其功能強大的后處理能力彰顯了它在整形生物力學、康復生物力學中的應用優(yōu)勢，尤其是整形外科可植入物的大小、材料的剛度、彈性等力學參數(shù)的不易預測性，一半的人工全膝關節(jié)置換術(shù)（TKA）由于不穩(wěn)定、錯位或內(nèi)固定而失敗。而ADAΜS/LifeΜOD插件模塊KneeSIΜ是專門建立膝關節(jié)仿真模型，該模型動態(tài)研究人體膝關節(jié)的力學特性，實現(xiàn)植入定位的個性化方式，幫助醫(yī)生預測個體植入物的運動學序列變化，以評估磨損問題。還有學者分析全膝關節(jié)置換術(shù)失敗的各種原因[23]和全髖關節(jié)植入物設計的研究[24]。這些研究對整形外科醫(yī)生更好地驗證關節(jié)置換術(shù)的結(jié)果和重新設計大有裨益。國外學者甚至利用ADAΜS/LifeΜOD多體脊柱肌肉骨骼模型的特殊性，建立生物仿真離散多體脊柱模型，測量并分析各種活動時椎間盤的內(nèi)壓力[25]，進行人體工程學輪椅設計，幫助醫(yī)生檢查脊椎運動行為并提出可行的脊椎矯正手術(shù)。

由此可見，ADAΜS在材料各種參數(shù)和幾何形狀設計以及外科放置上，在確保設計的精確性上，相對其他建模工具有極大的應用特殊性。

4.2.3 復雜模型與接口上的極大優(yōu)勢 在體育領域，利用ADAΜS/LifeΜOD的個性化建模和強大的計算能力，任何動作捕捉設備提供的運動學參數(shù)都可以進行運動仿真，可以將運動員的比賽和訓練情況進行再現(xiàn)并分析運動學、動力學特征，優(yōu)化運動員技術(shù)，進而達到指導運動訓練的目的。本研究雖僅對一個人行走模型進行了驗證，但更值得關注的是，ADAΜS/ LifeΜOD能克服其他建模只能對單個對象進行仿真的局限，實現(xiàn)復雜模型共存（6個人體模型共存），且快速生成完整的骨骼/皮膚/肌肉人體模型，以骨骼、女性皮膚、男性皮膚、碰撞假人模型、橢球體模型和棍圖等多種形式展現(xiàn)。

本研究雖僅使用高速攝像解析運動學參數(shù)進行仿真，但軟件能與動作捕捉設備生成的標準ASCII導入仿真。ADAΜS/ LifeΜOD的極大優(yōu)勢還在于模型能夠與環(huán)境、器械以及彼此間相互作用完成動作，其工業(yè)級的仿真技術(shù)接口的可擴展性極強，包括CATIA、PRO/E、SolidWorks和UG等三維機械設計軟件模型緊密結(jié)合，并且它還可輕松導入由ΜRI和CT掃描的工程格式數(shù)據(jù)。有學者基于人機功效學的產(chǎn)品優(yōu)化設計，模擬人與外部環(huán)境的交互來提高汽車內(nèi)部設備舒適性[26]，在機艙模擬飛行員操作的能力[27]，輪椅乘員在正面和側(cè)面碰撞分析頸椎損傷[28]。說明，ADAΜS強大的后接口能力使創(chuàng)建剛體模型簡單，并幫助工程師輕松地將復雜構(gòu)件與人體模型進行仿真，此優(yōu)勢決定了ADAΜS將有更廣闊的應用空間。

5 結(jié) 論

（1）ADAΜS計算的力曲線與三維測力臺的GRF曲線之間的相似程度達到了顯著水平，說明建立的環(huán)節(jié)人體模型是可行和合理的。（2）運用運動學和動力學仿真分析軟件ADAΜS仿真得到關節(jié)的作用力，作用力在700 N以內(nèi)，與關節(jié)的實際運動情況符合。與Ariel三維解析的力曲線之間的精度比較說明，ADAΜS計算的精度高，是目前定量分析關節(jié)間力較好的方法。（3）基于ADAΜS進行運動仿真，提高了求解速度，保證求解精度對于人體運動過程中關節(jié)力的逆運動學求解，可以方便地進行運動學逆解的求解，避免通常運動學逆解解析計算的復雜運算。（4）ADAΜS仿真模擬日常行為活動，基于人機功效學的產(chǎn)品優(yōu)化設計，全膝關節(jié)置換仿真研究，各種碰撞研究具有極大優(yōu)勢。

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Calculation of the Human Lower Limb Joint Force Based on ADAMS Modeling：Compared with the Force Plat?form

ZHANG Yanlong1，CHEN Minsheng2
（1.School of PE，Mudanjiang Normal University，Mudanjiang 157011，China；2.Dept.of PE，Teachers College，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China）

Objective：The core issue of human multi-body system dynamics modeling of human body movement and solving equations currently in use when creating dynamics，often concludes with the experimental results of the theoretical analysis of the problem far.Acquisition and application by a simple simulation results and experimental measured GRF（ground support force）with the results of Ariel software analytical calculation of the knee tibia plateau force is compared verified in order to explore the human body many aspects of muscle strength and joint forces advantage.Methods：High-speed camera and three-dimensional analytical method，a gait cycle complete action and force platform synchronous acquisition，obtain kinematics parameters and GRF，the use of three-dimensional software modeling ADAMS human lower limb motion simulation，kinematics test parameters on the basis of calculate the dynamics data of lower extremity joints，and the simulation results and experimental GRF measured knee tibia plateau force validation purposes.Results：ADAMS simulation computing power and force platform measured force correlation（P＜0.01）reached a very significant level，three directions ADAMS simulation of the force value of 95%confidence interval and force platform Force almost the same value of the confidence interval；Ariel dimensional analytic calculation power curve right knee showed no knee tibia plateau force curve characteristic curve is not smooth.Conclusions：Based on ADAMS motion simulation can solve the solve the complex multi-body dynamics parameters of accuracy problems；ADAMS simulation activities of daily behavior，based on the science of ergonomics to optimize product design，simulation，total knee replacement，a variety of collision research has a great advantage.

ADAMS；3D modeling；motion simulation；joint force calculation

G 804.6

：A

：1005-0000（2015）02-169-06

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2015.02.015

2014-12-02；

2015-02-22；錄用日期：2015-02-23

黑龍江省高等學校教改工程項目（項目編號：JG2014011051）；牡丹江市社會科學課題項目（項目編號：201223）；牡丹江師范學院人文社會科學研究項目（項目編號：G201305）

張彥龍（1975-），男，黑龍江綏化人，講師，研究方向為運動生物力學。

1.牡丹江師范學院體育科學學院，黑龍江牡丹江157011；2.深圳大學師范學院體育系，廣東深圳518060。