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基于sEMG和肌肉骨骼模型的手指多关节力矩耦合分析 被引量:2
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作者 谢平 肖俊明 +2 位作者 于金须 张立杰 杜义浩 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第9期266-275,共10页
手指内部力矩受表面肌电信号、肌力、手部姿态等因素影响而无法直接获取,为了实时且准确地获取手指各关节力矩以及耦合力矩并应用于手部康复机器人的交互控制中,提出了一种基于表面肌电信号和肌肉骨骼模型的手指多关节力矩和耦合力矩分... 手指内部力矩受表面肌电信号、肌力、手部姿态等因素影响而无法直接获取,为了实时且准确地获取手指各关节力矩以及耦合力矩并应用于手部康复机器人的交互控制中,提出了一种基于表面肌电信号和肌肉骨骼模型的手指多关节力矩和耦合力矩分析与实时获取方法。首先设计了自适应手指关节角度采集系统,通过实验同步采集指浅屈肌与指伸肌的肌电信号以及手指各关节的角度数据,建立手指多关节力矩模型,从而获取手指各关节力矩。然后建立手指D-H模型,结合虚功原理获取手指的耦合力矩。最后,辨识了手指多关节力矩模型的参数,并通过OpenSim软件获取了仿真力矩。计算力矩与仿真力矩的对比结果显示:4名被试3个关节力矩的均方根误差分别为0.1567、0.097425、0.08495,证明了该方法能够实时并准确的获取手指各关节力矩和耦合力矩,能够满足手部康复机器人交互控制准确性和实时性的需求。 展开更多
关键词 单关节力矩 SEMG 关节角度 肌肉骨骼模型 耦合力矩 D-H模型 交互控制
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基于MS-FE模型探究排球运动员ACL应力分布情况
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作者 刘海东 张楠 《应用力学学报》 北大核心 2025年第3期704-711,共8页
目的基于肌肉骨骼-有限元(muscular skeletal-finite element,MS-FE)模型探究排球运动员扣球落地瞬间左腿前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)应力、应变分布特征。方法基于MRI和CT建立排球运动员的膝关节FEM,通过动捕系统和三... 目的基于肌肉骨骼-有限元(muscular skeletal-finite element,MS-FE)模型探究排球运动员扣球落地瞬间左腿前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)应力、应变分布特征。方法基于MRI和CT建立排球运动员的膝关节FEM,通过动捕系统和三维测力台同步采集排球运动员(男性,23岁,88 kg,1.95 m,优势侧:右侧)marker点和地面反作用力。通过OpenSim中的肌骨模型计算膝关节力矩,关节力矩作为有限元模型的输入,输出ACL应力、应变。结果仿真分析结果显示,在排球运动员完成扣球动作并落地的瞬间,其ACL所承受的等效应力达到27.7 MPa,从应力分布方向性来看,ACL在此时的最大主应力为8.2 MPa;应变响应方面,ACL的等效应变达到5.4%,反映其在各方向上的综合形变幅度较大;最大主应变值为5.0%,进一步证实了韧带沿纤维方向产生了明显的伸长效应;最大剪切应变则为7.6%,说明ACL在落地阶段还经历了较大的横向形变。结论本研究建立经过验证的有限元模型可用于更好地计算排球运动员扣球后单腿着陆时ACL损伤的风险和预防策略,同时也可广泛应用于软骨退化病因学、康复训练优化和膝关节手术模拟等方面,帮助运动员、ACL损伤患者临床治疗提供有效的方法。 展开更多
关键词 膝关节 有限元模型 肌肉骨骼模型 OpenSim 关节力矩 ACL 排球扣球
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基于肌肉协同和肌肉力相对关系的人体行走下肢肌肉力计算方法
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作者 张岭 黄岩 王启宁 《北京大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期585-596,共12页
针对现有计算肌肉力的方法中缺乏对运动过程中肌肉协同机制和肌肉力相对关系考量的问题,提出一种基于行走过程中肌肉力相对关系与肌肉协同的肌肉力计算方法。该方法在二次优化的基础上,将人体行走过程中一段时间的肌肉力以及不同肌肉收... 针对现有计算肌肉力的方法中缺乏对运动过程中肌肉协同机制和肌肉力相对关系考量的问题,提出一种基于行走过程中肌肉力相对关系与肌肉协同的肌肉力计算方法。该方法在二次优化的基础上,将人体行走过程中一段时间的肌肉力以及不同肌肉收缩力之间的关系纳入逆动力学计算中。在所建立的肌肉骨骼模型的基础上,利用该方法得到行走过程中下肢主要肌肉的肌肉力,计算结果可以有效地反映人体运动规律以及行走过程中的肌肉协同机制。该计算方法可为人体运动形成机制、运动康复与训练以及仿人机器控制等提供理论依据。 展开更多
关键词 人体肌肉骨骼模型 逆动力学计算 肌肉协同 肌肉力相对关系
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基于神经-肌骨-外骨骼耦合仿真框架的平地和上坡行走动力学分析
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作者 靳葳 刘佳奇 +1 位作者 张琦炜 方虹斌 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期817-831,共15页
评估人体穿戴外骨骼后的运动性能是指导外骨骼硬件迭代和控制策略优化的重要依据.与传统的基于实验的评估相比,基于人-外骨骼耦合系统动力学仿真的评估避免了平台搭建和实地测试、实验数据分析处理的巨大人力和时间成本.此外,如将人体... 评估人体穿戴外骨骼后的运动性能是指导外骨骼硬件迭代和控制策略优化的重要依据.与传统的基于实验的评估相比,基于人-外骨骼耦合系统动力学仿真的评估避免了平台搭建和实地测试、实验数据分析处理的巨大人力和时间成本.此外,如将人体神经肌骨动力学纳入人-外骨骼耦合系统,动力学仿真还能够生成肌肉激活、肌肉力和关节力矩等实验中难以测量的生理学和生物力学信息,从而可以从肌肉发力的层面评估不同环境下穿戴外骨骼对人体运动的影响.本研究以人体肌骨-髋关节外骨骼耦合系统为研究对象,基于考虑人体神经肌骨动力学、足地接触和人-外骨骼交互作用的完整神经-肌骨-外骨骼耦合正向动力学仿真框架,对系统在平地和上坡(5.71°,10%)两种场景以0.8 m/s步速行走的动力学进行了比较研究.通过给定模型中的神经肌肉反射参数,综合考虑系统运动状态、肌肉收缩动力学、肌骨运动学、肌肉代谢、不同环境下的地反力和人机交互力等因素,并采用协方差矩阵自适应进化策略进行分阶段多目标优化,可以在不需要实验数据输入的条件下,高效完成全系统的动力学仿真.计算结果表明,所提仿真框架不仅能够生成包括肌肉激活、肌肉力、关节力矩和关节角度在内的完整生理学和生物力学信号,还能够反映和解释不同肌肉的激活模式随步行环境的适应性变化.此外还在与仿真情况一致的步行条件下进行了人体穿戴外骨骼行走测试,并进一步将肌肉激活数据与测得的肌电信号对比.结果表明,仿真与实验的肌肉激活结果保持了较高的相关性,并呈现出相对于地形坡度基本一致的变化规律;在上坡行走时,腘绳肌、臀大肌、髂腰肌和比目鱼肌的肌肉激活程度的RMS值均显著高于平地行走的情况,而股直肌与胫骨前肌的肌肉激活程度的RMS值则有所下降.上述结果表明,提出的动力学仿真框架可以在无实验数据输入的条件下有效且准确地捕捉在不同地形中行走时肌肉激活模式的定性差异.本研究为人体肌骨-外骨骼耦合系统在多场景下的行走仿真与性能评估提供了新的途径,也为外骨骼设计与控制策略的优化提供了理论参考和仿真分析方法. 展开更多
关键词 下肢动力外骨骼 动力学建模 人机动力学 肌肉骨骼模型 肌肉激活
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膝关节肌肉力分布模拟研究 被引量:9
5
作者 李翰君 刘卉 +1 位作者 张新 于冰 《体育科学》 CSSCI 北大核心 2012年第11期57-63,69,共8页
本研究建立了膝关节肌肉力分布模型。通过调整肌肉最大应力使模拟肌肉合力矩与文献关节合力矩误差最小化的数学优化方法标定肌肉参数,从而解决肌肉参数个体差异大的问题,同时,使用敏感度分析得到肌肉最优长度对肌肉力的影响。研究结果表... 本研究建立了膝关节肌肉力分布模型。通过调整肌肉最大应力使模拟肌肉合力矩与文献关节合力矩误差最小化的数学优化方法标定肌肉参数,从而解决肌肉参数个体差异大的问题,同时,使用敏感度分析得到肌肉最优长度对肌肉力的影响。研究结果表明,通过优化计算出肌肉合力矩与文献数据高度相关,股四头肌和股后肌群预测结果的复相关系数分别为0.95和0.92;使用优化方法获得的股四头肌与股后肌群的最大应力分别为52.4N/cm2和53.8N/cm2;敏感度分析的结果表明肌肉最优长度对肌力模拟具有显著影响,因此,文献平均肌肉长度数据不适用于个体化肌肉力分布模型。 展开更多
关键词 肌肉 肌肉骨骼模型 敏感度分析 个性化建模 膝关节
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基于OpenSim人机耦合仿真的外骨骼设计方法 被引量:7
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作者 范子珍 罗睿铭 +1 位作者 戴瑞 孙守迁 《机械设计》 CSCD 北大核心 2022年第3期123-129,共7页
针对传统外骨骼研发中普遍忽略外骨骼对人体作用的缺陷,提出一种基于OpenSim开源生物力学仿真平台的外骨骼设计方法,以提高外骨骼的安全性和有效性。将外骨骼机械本体嵌入人体肌肉骨骼模型中进行耦合仿真,分析在外骨骼助力下人体特定部... 针对传统外骨骼研发中普遍忽略外骨骼对人体作用的缺陷,提出一种基于OpenSim开源生物力学仿真平台的外骨骼设计方法,以提高外骨骼的安全性和有效性。将外骨骼机械本体嵌入人体肌肉骨骼模型中进行耦合仿真,分析在外骨骼助力下人体特定部位关节肌肉的状态;在仿真平台中修改外骨骼的结构参数,观察其对人体助力的影响,不断迭代改进,最终得到外骨骼产品;以踝关节保护器为例,阐述外骨骼设计方法的流程。仿真分析结果表明:使用该方法设计的踝关节保护器能使人在30°斜坡上竖直着陆时脚踝距下关节内翻角度减小34%。 展开更多
关键词 人机融合 骨骼 耦合仿真 肌肉骨骼模型 生物力学
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肌肉共同收缩对手臂屈伸运动末端阻抗的影响 被引量:1
7
作者 付春江 王如彬 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 2009年第6期427-433,共7页
目的阻抗控制在稳定性控制中起着重要的作用,以手臂屈伸运动为对象建模来研究人体的阻抗控制规律,从而为更高层次的运动认知与工具使用奠定基础。方法对现有的人体运动控制进行了改进,运用神经肌肉骨骼模型及最优控制方法推导出共同收... 目的阻抗控制在稳定性控制中起着重要的作用,以手臂屈伸运动为对象建模来研究人体的阻抗控制规律,从而为更高层次的运动认知与工具使用奠定基础。方法对现有的人体运动控制进行了改进,运用神经肌肉骨骼模型及最优控制方法推导出共同收缩阻抗,并对仿真结果与原模型和实验数据进行了对比。结果从对比图中可以看出,所给模型修正了原有模型刚度椭圆单调变化的不足,与实验数据更加吻合。结论即使在手臂平面自由运动中,肌肉共同收缩对阻抗也有贡献。 展开更多
关键词 共同收缩 手臂阻抗 神经肌肉骨骼模型 最优控制 刚度椭圆 阻抗控制
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踝关节外骨骼人机耦合动力学与助力性能分析 被引量:7
8
作者 高钰清 靳葳 +1 位作者 徐鉴 方虹斌 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第12期3496-3512,共17页
踝关节在人体下肢运动过程中提供了最大的关节力矩,因此在下肢增强型外骨骼的研究中,踝关节外骨骼受到了重点关注.穿戴外骨骼的人体的行走是典型的动力学问题,但目前人机耦合动力学的相关研究还处于早期阶段.本文以绳驱踝关节外骨骼为... 踝关节在人体下肢运动过程中提供了最大的关节力矩,因此在下肢增强型外骨骼的研究中,踝关节外骨骼受到了重点关注.穿戴外骨骼的人体的行走是典型的动力学问题,但目前人机耦合动力学的相关研究还处于早期阶段.本文以绳驱踝关节外骨骼为研究对象,融合机器人正运动学方法和拉格朗日方程建立了考虑足-地交互力、人体关节力矩和外骨骼力矩的人-机耦合动力学模型.模型中,足-地交互力由Kelvin-Voigt模型结合库伦摩擦模型描述,人体关节力矩由基于粒子群优化的PD控制生成,外骨骼期望力矩由上层控制器依据人体步态周期确定.通过基于模型的动力学仿真,本文从人体踝关节角度、踝关节力矩、踝关节功率和踝关节做功多个角度系统分析了踝关节外骨骼对人体行走的助力效果.研究表明,在2.0 km/h到6.5 km/h的人体步行速度下,穿戴外骨骼可以实现至少24.84%的人体踝关节平均力矩下降和至少24.69%的踝关节做功下降.本文也开展了基于SCONE平台的肌肉骨骼建模和预测仿真.仿真结果表明,在3.6 km/h的步行速度下,穿戴外骨骼可以有效降低比目鱼肌的激活度峰值,并使肌电信号的RMS值下降了6.21%,从而从生理学的角度证实了踝关节外骨骼的助力效果.本文的结果进一步完善了人体下肢-外骨骼耦合系统的动力学建模和分析方法,从动力学和生理学角度证实和解释了踝关节外骨骼对行走的助力机制,也为今后下肢外骨骼的实验研究提供了理论支撑. 展开更多
关键词 下肢动力外骨骼 动力学建模 人机动力学 肌肉骨骼模型 肌肉激活度
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表面肌电关节连续运动估计的研究进展 被引量:1
9
作者 马一凡 魏德健 +2 位作者 冯妍妍 于丰帆 李振江 《计算机工程与应用》 CSCD 北大核心 2024年第14期26-36,共11页
表面肌电信号(surface electromyography, sEMG)是一种非侵入式的生物电信号,用于捕捉运动过程中肌肉活动的变化。因其与运动密切相关,所以广泛应用于智能辅助康复设备的研发过程中,为康复者提供支持和帮助。康复训练涉及到复杂的立体运... 表面肌电信号(surface electromyography, sEMG)是一种非侵入式的生物电信号,用于捕捉运动过程中肌肉活动的变化。因其与运动密切相关,所以广泛应用于智能辅助康复设备的研发过程中,为康复者提供支持和帮助。康复训练涉及到复杂的立体运动,而基于sEMG的关节连续运动估计是一种通过分析运动期间的sEMG来估计关节角度或力矩的方法,它能够有效缓解康复机器与人体之间的适应性不足的问题,并提供更安全的辅助,从而显著改善康复效果。介绍了关节连续运动估计的现状,然后根据不同的研究方法将现有的sEMG关节连续运动估计模型分为基于生物力学的肌肉骨骼模型和基于机器学习的回归模型,分别对相关模型进行总结分析;分析了当前所面临的挑战,并展望了未来的研究趋势。 展开更多
关键词 表面肌电信号(sEMG) 关节连续运动 肌肉骨骼模型 回归模型
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基于生物力学的踏板人机工程设计研究 被引量:8
10
作者 杨枫 何智成 +1 位作者 成艾国 谭纯 《汽车工程》 EI CSCD 北大核心 2016年第4期459-465,共7页
基于生物力学分析,研究了踏板设计参数对踏板操作时下肢肌肉疲劳的影响。定义了4个设计因子:座椅高度、踏板行程、踏板行程倾角和踏板高度,进行中心复合试验设计。应用生物力学软件Any Body对25组试验进行了仿真分析,通过对仿真结果的... 基于生物力学分析,研究了踏板设计参数对踏板操作时下肢肌肉疲劳的影响。定义了4个设计因子:座椅高度、踏板行程、踏板行程倾角和踏板高度,进行中心复合试验设计。应用生物力学软件Any Body对25组试验进行了仿真分析,通过对仿真结果的回归分析得出各设计因子的影响权重,并分析了每个因子对不同百分位人体最大肌肉活动度的影响,给出设计因子的推荐取值范围。该方法建立了踏板的工程设计与驾驶员踏板操作舒适性的联系,为汽车踏板的人机工程参数化设计提供依据。 展开更多
关键词 踏板设计 生物力学 人机工程 肌肉骨骼模型
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利用肌电信号求解关节力矩的研究及应用综述 被引量:3
11
作者 姜峰 尹逊锋 +1 位作者 衣淳植 杨炽夫 《智能系统学报》 CSCD 北大核心 2020年第2期193-203,共11页
表面肌电信号(surface electromyography,sEMG)是人体的易于检测的神经信号,其富含大量人体运动信息。利用肌电信号作为输入信号,结合相关生物学模型分析肌电信号同肌肉力和对应关节力矩之间的关系,对于深入理解分析人体动力学具有重要... 表面肌电信号(surface electromyography,sEMG)是人体的易于检测的神经信号,其富含大量人体运动信息。利用肌电信号作为输入信号,结合相关生物学模型分析肌电信号同肌肉力和对应关节力矩之间的关系,对于深入理解分析人体动力学具有重要意义。本文详细归纳总结了利用肌电信号求解人体关节力矩方法的研究成果,同时介绍神经肌肉骨骼模型的计算及优化过程,给出部分模型生理参数为之后的研究提供参照,并给出现阶段该方法在人体关节力矩求解中的应用。通过分析该求解过程中所面临的一些问题,总结出该方法的发展展望,为之后的研究提供参考。 展开更多
关键词 表面肌电信号 神经激活 信号处理 肌肉激活 肌肉骨骼模型 关节力矩 关节动力学 参数辨识
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人体上肢在水平面上运动时的轨迹重构
12
作者 李醒飞 张国雄 +1 位作者 裘祖荣 张明 《天津大学学报(自然科学与工程技术版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2002年第5期601-605,共5页
研究的目的是能否通过使用计算机仿真方法去重构人体上肢在水平面上做快速运动时的轨迹 ,通过与实验结果的比较 ,进而探讨人体上肢在水平面上做快速运动时的控制策略 .首先建立了人体上肢在水平面上运动的生物力学模型 ,应用时间最优判... 研究的目的是能否通过使用计算机仿真方法去重构人体上肢在水平面上做快速运动时的轨迹 ,通过与实验结果的比较 ,进而探讨人体上肢在水平面上做快速运动时的控制策略 .首先建立了人体上肢在水平面上运动的生物力学模型 ,应用时间最优判据对上肢在水平面上做点到点快速运动时的轨迹进行了重构 ,并通过实验对重构结果进行了评估 .评估结果表明 :时间最优判据能够重构人体上肢在水平面上做快速运动时的手的轨迹 。 展开更多
关键词 人体上肢 轨迹重构 最优控制 神经肌肉骨骼模型 生物力学模型 点到点快速运动
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基于OpenSim的悬浮背包人体动力学分析 被引量:2
13
作者 孙青 蒋量 +2 位作者 程雪 黄毅 霍波 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2021年第S01期382-382,共1页
目的为了减轻士兵在长距离高负重行军的负担,人们设计了多种具有弹簧阻尼系统的悬浮背包。为了评估悬浮背包的有效性,通常采用人体整体耗能或局部肌肉激活程度等值作为指标,但是这些指标忽略了悬浮背包对肌肉激活分布的影响。基于Opensi... 目的为了减轻士兵在长距离高负重行军的负担,人们设计了多种具有弹簧阻尼系统的悬浮背包。为了评估悬浮背包的有效性,通常采用人体整体耗能或局部肌肉激活程度等值作为指标,但是这些指标忽略了悬浮背包对肌肉激活分布的影响。基于Opensim建立耦合背包力学模型的人体肌肉骨骼模型,通过人体动力学分析,深入研究不同阻尼刚度的悬浮背包对肌肉激活分布的影响。方法通过运动捕捉系统记录人体背包行走时的运动学数据,获取行走的步频、步幅。 展开更多
关键词 人体动力学 运动捕捉系统 弹簧阻尼系统 背包 悬浮 力学模型 肌肉骨骼模型 肌肉激活
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手臂屈伸运动中上位最优控制对外部速度力场的补偿适应
14
作者 付春江 王如彬 《中国生物医学工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2010年第4期545-550,共6页
描述人体手臂适应外部力场的计算模型通常使用下位的前馈模块加以补偿,本研究提出当环境可以在内部模型中准确表达时,上位最优控制模块可以直接起到前馈补偿的作用。将与速度有关的力场(VF)施加到神经肌肉骨骼模型,并用最优控制方法进... 描述人体手臂适应外部力场的计算模型通常使用下位的前馈模块加以补偿,本研究提出当环境可以在内部模型中准确表达时,上位最优控制模块可以直接起到前馈补偿的作用。将与速度有关的力场(VF)施加到神经肌肉骨骼模型,并用最优控制方法进行仿真。仿真结果不仅与实验中手臂运动轨迹演化趋势相一致,同时与手臂末端阻抗椭圆也能很好的匹配。数值论证表明,人体可能仅通过调节上位最优控制模块中很少的参数就可以适应与补偿外部新环境。 展开更多
关键词 运动适应 外部速度力场 前馈补偿 神经肌肉骨骼模型 最优控制
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腰靠支撑对驾驶人腰部负载影响的研究 被引量:3
15
作者 孟祥杰 王文军 +2 位作者 Dennis E.Anderson Alexander G.Bruno 成波 《汽车工程》 EI CSCD 北大核心 2016年第2期206-210,共5页
为提高驾驶人的乘坐舒适性,本文中对汽车座椅腰靠进行研究。基于驾驶人肌肉骨骼生物力学模型,对坐姿驾驶人在第三腰椎部位处3种不同凸出量(0,2和4cm)的腰靠支撑条件下,仿真求解了腰部椎间关节力和肌肉负载。结果表明,4cm凸出量的腰靠支... 为提高驾驶人的乘坐舒适性,本文中对汽车座椅腰靠进行研究。基于驾驶人肌肉骨骼生物力学模型,对坐姿驾驶人在第三腰椎部位处3种不同凸出量(0,2和4cm)的腰靠支撑条件下,仿真求解了腰部椎间关节力和肌肉负载。结果表明,4cm凸出量的腰靠支撑下,驾驶人腰部的椎间关节力平均下降8%、肌肉负载平均下降15%,而2cm凸出量的腰靠支撑却使腰部椎间关节力和肌肉负载均略有升高。本文从腰部载荷的角度解释了腰靠凸出量对改善乘坐舒适性影响的内在机理,所提出的仿真方法可实现不同腰靠支撑下腰部载荷的定量评估,为座椅腰靠的舒适性设计提供指导。 展开更多
关键词 汽车座椅 腰靠 肌肉骨骼生物力学模型 人机工程 Matlab-OpenSim联合仿真
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驾驶员腰部负载的计算求解与验证 被引量:1
16
作者 孟祥杰 Dennis E Anderson +4 位作者 王文军 Alexander G Bruno 陶鑫 张超飞 成波 《汽车工程》 EI CSCD 北大核心 2016年第5期614-619,共6页
驾驶员腰部的肌肉力、关节力等负载与驾驶舒适性密切相关,但难以直接测量。本文中建立了驾驶员肌肉骨骼生物力学模型,提出了一种基于Matlab-OpenSim联合仿真的驾驶员与座椅界面接触力和摩擦力计算求解方法,并通过人椅接触压力测试和接... 驾驶员腰部的肌肉力、关节力等负载与驾驶舒适性密切相关,但难以直接测量。本文中建立了驾驶员肌肉骨骼生物力学模型,提出了一种基于Matlab-OpenSim联合仿真的驾驶员与座椅界面接触力和摩擦力计算求解方法,并通过人椅接触压力测试和接触界面摩擦力与腰椎关节压力仿真对上述模型和方法进行验证。结果表明,本文中提出的驾驶员肌肉骨骼生物力学模型和人椅界面接触负载的计算方法可有效解决行驶工况下驾驶员腰部负载的定量评估问题,对驾驶室空间布局和舒适性设计具有重要工程应用价值。 展开更多
关键词 人机工程 舒适性设计 肌肉骨骼力学模型 Matlab-OpenSim联合仿真 接触压力
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