三維人體動態(tài)計算機模擬及仿真系統(tǒng)

1、三維人體動態(tài)電腦模擬及仿真系統(tǒng)(一) LifeMOD生物力學(xué)數(shù)字仿真軟件1. 簡介LifeMOD 生物力學(xué)數(shù)字仿真軟件是在 MSC.ADAMS 基礎(chǔ)上,進(jìn)行二次開發(fā)，用以研究人體生物力學(xué)特征的數(shù)字仿真軟件，是當(dāng)今最先進(jìn)、最完整的人體仿真軟件。LifeMOD 生物力學(xué)數(shù)字仿真軟件可用于建立任何生物系統(tǒng)的生物力學(xué)模型。這種仿真技術(shù)可使研究人員建立各種各樣的人體生物力學(xué)模型，模擬和仿真人體的運動，并深入地了解人體動作背后的力學(xué)特性以及動作技能控制規(guī)律。鑒于LifeMOD 生物力學(xué)數(shù)字仿真軟件的強大功能，它成功地應(yīng)用于生物力學(xué)、工程學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域。2. 廠商美國BRG(Biomechanics

2、 Research Group)公司具有超過20年的與世界頂級研究機構(gòu)和商業(yè)機構(gòu)的成功合作歷史，包括體育器材生產(chǎn)商、整形外科、人體損傷研究機構(gòu)、高校和研究院所、政府機構(gòu)、醫(yī)療器械生產(chǎn)商以及空間技術(shù)研究機構(gòu)，在生物力學(xué)、工程學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)等許多行業(yè)中有卓越的名譽。3. 型號LifeMOD 2008.0.04. 功能LifeMOD 生物力學(xué)數(shù)字仿真軟件的功能強大、先進(jìn)而且普遍適用。LifeMOD 生物力學(xué)數(shù)字仿真軟件可用于建立任何生物系統(tǒng)的生物力學(xué)模型。這種仿真技術(shù)可使研究人員建立各種各樣的人體生物力學(xué)模型；這些模型既能夠再現(xiàn)現(xiàn)實的人體運動，也能夠按照研究者的意愿預(yù)測非現(xiàn)實的人體運動；通過人體動作的

3、模擬和仿真，計算出人體在運動過程中的運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)，從而使研究者能夠深入地了解人體動作背后的力學(xué)特性以及動作技能控制規(guī)律。在體育領(lǐng)域，利用LifeMOD的個性化建模和強大的計算能力，不但可以將運發(fā)動的比賽和訓(xùn)練情況進(jìn)行再現(xiàn)并分析運動學(xué)、動力學(xué)特征，而且能夠根據(jù)運發(fā)動各自的生理特征來進(jìn)行不同情況的仿真，進(jìn)行優(yōu)化分析，進(jìn)而到達(dá)優(yōu)化運發(fā)動技術(shù)的目的，從而指導(dǎo)和幫助運動訓(xùn)練。5. 軟件特性LifeMOD 生物力學(xué)數(shù)字仿真軟件是創(chuàng)建成熟、可信的人體模型的工具。它具有以下特性：l 快速生成人體模型。能在不到一分鐘的時間里完成人體模型的創(chuàng)建。l 完整的骨骼/皮膚/肌肉模型。具有骨骼、皮膚、肌肉的人體模型

4、與受試對象是成比例的。l 可根據(jù)研究需要，建立不同精度的人體模型。簡單的是19環(huán)節(jié)18關(guān)節(jié)，復(fù)雜的根據(jù)研究的精度要求完善 l 多個互相作用的模型共存。同一環(huán)境下，能夠有6個模型共存，模型能夠與環(huán)境、器械以及彼此間相互作用完成動作。 l 人機交互。人體模型可以與ADAMS的模型結(jié)合，進(jìn)行人機交互的研究。l 與所有動作捕捉系統(tǒng)有接口。LifeMOD提供ASCII表格格式，能夠與所有動作捕捉系統(tǒng)連接。l 主動和或受動的人體模型。人體模型能夠被設(shè)置成受動的受到環(huán)境的作用或者主動的作用于環(huán)境。也能夠把同一個人體模型設(shè)成受動和主動結(jié)合的模型。（1）. 身體l 多個互相作用的模型。同一環(huán)境下，能夠有6個模型

5、共存，模型能夠與環(huán)境、器械以及彼此間相互作用完成動作。每個模型能夠被設(shè)置為主動的或者受動的。l 6個人體形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫包括GeBOD數(shù)據(jù)庫；PeopleSize 的英國人、美國人、日本人和中國人的數(shù)據(jù)庫；US Army數(shù)據(jù)庫。環(huán)節(jié)的大小和質(zhì)量等性質(zhì)可以從數(shù)據(jù)庫中提取。l 多種人體模型展現(xiàn)形式人體模型能夠以骨骼、男性皮膚、女性皮膚、橢球體模型、碰撞假人模型、棍圖等多種形式展現(xiàn)。在仿真過程中各種形式可以相互轉(zhuǎn)換。 l 環(huán)節(jié)精度可以調(diào)節(jié)創(chuàng)建的基礎(chǔ)人體模型是19環(huán)節(jié)的，有的多塊骨骼結(jié)合成一個環(huán)節(jié)。根據(jù)研究精度的要求，可以將一個多骨骼環(huán)節(jié)拆分成多個單骨骼環(huán)節(jié)。l 三種創(chuàng)建身體的方式根據(jù)身高、體重、性

6、別簡單的創(chuàng)建身體環(huán)節(jié)；根據(jù)測量的50個身體形態(tài)學(xué)參數(shù)創(chuàng)建身體環(huán)節(jié)；根據(jù)測量的22個關(guān)節(jié)的位置數(shù)據(jù)創(chuàng)建身體環(huán)節(jié)。l 完全成比例的骨骼所有的骨骼圖形都是根據(jù)形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)成比例生成的。形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)庫中既包括成年男女，也包括兒童。l 身體文件的導(dǎo)入和導(dǎo)出l 巨大的身體姿勢數(shù)據(jù)庫不僅有標(biāo)準(zhǔn)姿勢數(shù)據(jù)庫，而且用戶能夠向姿勢數(shù)據(jù)庫中添加保存更多的姿勢。l 能夠模擬任何生物體（2）. 關(guān)節(jié)l 自動生成人體的關(guān)節(jié)自動生成20個三軸關(guān)節(jié)。在每個關(guān)節(jié)自由度上能夠個性化的修改關(guān)節(jié)的活動范圍、力、摩擦、扭矩等。l 關(guān)節(jié)能夠被個性化修改每個關(guān)節(jié)自由度上能夠單獨設(shè)置人體運動。l 具有力的特性的Hybrid III碰撞假人

7、模型在受力仿真中，碰撞假人模型具有力的特性。其運算法則中包括關(guān)節(jié)的摩擦、非線性剛度/阻尼和關(guān)節(jié)活動范圍。l 有力的作用的關(guān)節(jié)與光滑外表接觸的關(guān)節(jié)用接觸力和韌帶的穩(wěn)定作用模擬。l 關(guān)節(jié)軸的處理為調(diào)整模型姿勢，每個關(guān)節(jié)軸都能通過控制面板進(jìn)行調(diào)整。（3）. 力l 每個關(guān)節(jié)軸都自動生成PD-servo controller。根據(jù)反向動力學(xué)記錄的關(guān)節(jié)運動情況，PD-servo controller使人體模型在每個關(guān)節(jié)自由度上在關(guān)節(jié)扭矩的驅(qū)動下按照反向動力學(xué)記錄的關(guān)節(jié)運動情況運動。l 全身完整的肌肉/韌帶模型關(guān)節(jié)能被韌帶的力量穩(wěn)定；也能被肌肉的力量驅(qū)動。肌肉模型是由一系列的彈簧和阻尼器組成的。l 接觸力工

8、具用以模擬人體環(huán)節(jié)與環(huán)境的相互作用以及模型與模型間的相互作用。（4）. 運動l 可以由用戶自主編寫運動函數(shù)來設(shè)置模型的運動。l 任何動作捕捉設(shè)備可用于提供數(shù)據(jù)軟件包含了與動作捕捉設(shè)備生成的標(biāo)準(zhǔn)ASCII格式的接口。l 完整的標(biāo)志點自動就位l 調(diào)試受試者與模型間的差異和其他誤差（5）. 仿真l 反向動力學(xué)仿真人體模型在運動引導(dǎo)點的引導(dǎo)下完成動作，這個過程中，記錄下每塊肌肉的收縮歷史。l 正向動力學(xué)仿真根據(jù)反向動力學(xué)記錄的肌肉/關(guān)節(jié)運動情況，在肌肉力量/關(guān)節(jié)扭矩的驅(qū)動下按照反向動力學(xué)記錄的肌肉/關(guān)節(jié)運動情況再次執(zhí)行運動。從正向動力學(xué)仿真中，能夠獲得肌肉的作用、時序、大小、力等。（6）. 結(jié)果l 動

9、畫仿真的結(jié)果能夠與數(shù)據(jù)結(jié)果的曲線同步的細(xì)致展現(xiàn)。仿真結(jié)果的電影也能夠單獨生成。l 運動學(xué)能得出任何相對坐標(biāo)系下的位移、速度、加速度等運動學(xué)數(shù)據(jù)。人體模型和機械系統(tǒng)模型上的任何位置的運動軌跡也都能被記錄下來。l 動力學(xué)人體模型的動力學(xué)數(shù)據(jù)包括關(guān)節(jié)扭矩、軟組織張力、接觸力等。人體模型與環(huán)境等的相互作用力也能記錄下來。6. 輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果LifeMOD 生物力學(xué)數(shù)字仿真軟件輸出模型的全身基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括運動學(xué)數(shù)據(jù)、關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)、軟組織數(shù)據(jù)、接觸數(shù)據(jù)以及用戶自定義的其他三維的運動學(xué)、動力學(xué)數(shù)據(jù)。平動用沿3個人體基本方向以及合量數(shù)據(jù)描述：l 沿人體矢狀軸方向l 沿人體額狀軸方向l 沿人體垂直軸方向l 合量轉(zhuǎn)動

10、用繞3個人體基本方向以及合量數(shù)據(jù)描述l 繞人體矢狀軸方向l 繞人體額狀軸方向l 繞人體垂直軸方向l 合量基礎(chǔ)的輸出結(jié)果是：運動學(xué)數(shù)據(jù)1) CM position環(huán)節(jié)質(zhì)量中心的位置，包括：l 沿人體矢狀軸方向l 沿人體額狀軸方向l 沿人體垂直軸方向l 合量2) CM velocity環(huán)節(jié)質(zhì)量中心的速度，包括：l 沿人體矢狀軸方向l 沿人體額狀軸方向l 沿人體垂直軸方向l 合量3) CM acceleration環(huán)節(jié)質(zhì)量中心的加速度，包括：l 沿人體矢狀軸方向l 沿人體額狀軸方向l 沿人體垂直軸方向l 合量4) CM angular velocity環(huán)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角速度，包括：l 繞人體矢狀軸方向l

11、繞人體額狀軸方向l 繞人體垂直軸方向l 合量5) CM angular acceleration環(huán)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角加速度，包括：l 繞人體矢狀軸方向l 繞人體額狀軸方向l 繞人體垂直軸方向l 合量關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)6) Angle關(guān)節(jié)角度，包括：l 人體矢狀面上l 人體額狀面上l 人體垂直面上7) Force關(guān)節(jié)力，包括：l 人體矢狀面上l 人體額狀面上l 人體垂直面上8) Torque關(guān)節(jié)扭矩，包括：l 人體矢狀面上l 人體額狀面上l 人體垂直面上軟組織數(shù)據(jù)9) Contraction(各個肌肉的)形變10) Tension(各個肌肉的)肌張力接觸數(shù)據(jù)11) 接觸力，包括l 沿人體矢狀軸方向l 沿人體額狀軸

12、方向l 沿人體垂直軸方向l 合量12) 接觸力矩，包括l 繞體矢狀軸方向l 繞人體額狀軸方向l 繞人體垂直軸方向l 合量（7）. 應(yīng)用現(xiàn)狀在國際范圍內(nèi)，LifeMOD軟件被學(xué)術(shù)界認(rèn)可。近年來，使用該軟件進(jìn)行的多項人體動態(tài)模擬和仿真研究成果，被撰寫成數(shù)十篇學(xué)術(shù)論文，發(fā)表于國際知名的生物力學(xué)學(xué)術(shù)會議以及生物力學(xué)學(xué)術(shù)期刊，被認(rèn)為是目前人體生物力學(xué)研究中最前沿的方法。同時，通過與百余家世界頂級的商業(yè)機構(gòu)和研究機構(gòu)的合作，LifeMOD軟件也獲得了應(yīng)用界的認(rèn)可，在運動鞋、體育器材、假肢等新產(chǎn)品的研究開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用。在國內(nèi)，大連理工大學(xué)、湖南大學(xué)、青島理工大學(xué)、河北體育學(xué)院等高校都已成為Li

13、feMOD 生物力學(xué)數(shù)字仿真軟件的用戶，用以進(jìn)行三維人體的動態(tài)數(shù)字仿真研究。2005年，我公司使用LifeMOD 生物力學(xué)數(shù)字仿真軟件，成功完成國家體育總局科研項目自行車運發(fā)動和騎行技術(shù)的數(shù)字仿真模型建立，獲得國家體育總局自行車擊劍運動管理中心的首肯；2006年，在此次科研的基礎(chǔ)上，我公司繼續(xù)使用LifeMOD 生物力學(xué)數(shù)字仿真軟件承擔(dān)國家科技攻關(guān)計劃項目女子自行車重點運發(fā)動場地技術(shù)動作的生物力學(xué)分析研究，通過對真實的運發(fā)動的技術(shù)動作進(jìn)行建模，不僅精確地重現(xiàn)運發(fā)動的技術(shù)動作，并且對設(shè)計改良的新技術(shù)動作進(jìn)行仿真分析，為尋找最優(yōu)騎行技術(shù)，專項力量訓(xùn)練提供基礎(chǔ)。這將是我國體育科研跨入新階段的標(biāo)志。（8）. 展望 數(shù)字仿真技術(shù)是一項成熟的技術(shù)，在工程部門廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的各個方面，是分析復(fù)雜產(chǎn)品性能、強度、可靠性的一項關(guān)鍵技術(shù)，對仿真技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用具有很強的借鑒作用。在體育領(lǐng)域引入數(shù)字仿真，是目前體育科研領(lǐng)域最前沿的課題。LifeMOD 生物力學(xué)數(shù)字仿真軟件處于最尖端的數(shù)字仿真領(lǐng)域，開創(chuàng)了三維人體動態(tài)電腦模擬和仿真研究的新紀(jì)元。應(yīng)用該軟件進(jìn)行人體的動態(tài)模擬和仿真