楊 楠，戴士杰，2

基于ADAMS的人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真

楊 楠1，戴士杰1，2

(1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

通過對(duì)人體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的分析，使用SolidWorks建立人體的模型。將模型導(dǎo)入到ADAMS軟件后，實(shí)現(xiàn)步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的仿真，得到人體大腿、小腿質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線以及足底壓力的變化曲線，為研究步態(tài)識(shí)別和仿人科學(xué)提供理論基礎(chǔ)。

人體模型；ADAMS；步態(tài)；仿真

0 引言

步態(tài)是人最基本的運(yùn)動(dòng)形式之一，對(duì)人體進(jìn)行建模和步態(tài)仿真在機(jī)器人、康復(fù)工程、步態(tài)識(shí)別等學(xué)科領(lǐng)域具有重要的意義[1]。國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)都以人為研究對(duì)象，并對(duì)其進(jìn)行建模和仿真，這一研究的深入程度關(guān)系到仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)效果。本文在人體解剖學(xué)的基礎(chǔ)上建立人體的三維模型，分析人步態(tài)行走的特點(diǎn)，設(shè)定關(guān)節(jié)角度變化的函數(shù)和各部件的受力使其在地面上行走，得到腿部的運(yùn)動(dòng)軌跡和足部與地面接觸力的變化曲線。

1 人體的結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)人體解剖學(xué)的研究，人體主要由骨骼、關(guān)節(jié)以及肌肉組成。其中骨骼起到支撐身體的作用，關(guān)節(jié)和肌肉能夠使人體做各種運(yùn)動(dòng)。在人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)中，主要是下肢在起作用，包括大腿、小腿、足部等[2]。

在建模過程中需要對(duì)肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)進(jìn)行研究。肩關(guān)節(jié)用來連接上臂和上軀干，在步態(tài)運(yùn)動(dòng)中起到保持人體平衡的作用。肘關(guān)節(jié)是上肢活動(dòng)中較為重要的關(guān)節(jié)，起到連接手臂的作用，對(duì)于下肢的運(yùn)動(dòng)也有一定的影響。髖關(guān)節(jié)的自由度較多，能夠做內(nèi)旋、屈伸等多種運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的角度比肩關(guān)節(jié)小，但是穩(wěn)定性比較好，所以能夠連接好上下軀干。膝關(guān)節(jié)在人體下肢運(yùn)動(dòng)中起到非常重要的作用，其承受著人體的大部分重量，而且起到帶動(dòng)小腿運(yùn)動(dòng)的作用；在人體的步態(tài)運(yùn)動(dòng)中，膝關(guān)節(jié)主要做屈伸運(yùn)動(dòng)，具有少量的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。踝關(guān)節(jié)用于連接小腿和足部，踝關(guān)節(jié)在步態(tài)中的主要運(yùn)動(dòng)是屈伸，也有小幅度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2 人體模型的建立

建立人體模型需要考慮人體的形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、連接關(guān)系及其物理性質(zhì)。人體模型的參數(shù)包括：人體各部件的尺寸參數(shù)、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、密度等。采用SolidWorks建立人體三維模型，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換導(dǎo)入到ADAMS中。人體建模的過程有：

(1) 確定人體各部件的尺寸外形、關(guān)節(jié)的約束等。

(2) 得到人體模型的空間位置、幾何和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

(3) 確定坐標(biāo)系，將各部件進(jìn)行簡化，以便分析和計(jì)算。

(4) 對(duì)模型進(jìn)行校核并限定關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍。

(5) 添加人體模型的約束。

2.1 模型數(shù)據(jù)的獲取

人體模型中的主要參數(shù)有身高和體重，不同地區(qū)、種族的人的身高體重有一定差別。本課題研究的主要對(duì)象是中國人的步態(tài)，根據(jù)王繼先等[3]做的調(diào)查，我們得到了成年男性的身高大約是170 cm，體重大約是60 kg，選取這一身高體重作為一參考值，具有一定的代表性。對(duì)人體結(jié)構(gòu)按照解剖學(xué)的結(jié)構(gòu)比例進(jìn)行建模[4]。

ADAMS提供了一些建模的模塊，對(duì)于人體比較復(fù)雜的部分，ADAMS的建模功能不如一些專用的建模軟件。在步態(tài)運(yùn)動(dòng)中，人的活動(dòng)主要體現(xiàn)在四肢的擺動(dòng)上，所以本文將人體分成多個(gè)剛體[5]，將人體的骨骼肌肉等認(rèn)為是剛體。

利用SolidWorks按照人體的尺寸建立各部分的三維模型，然后將其中若干部分組成裝配體，人體的三維模型如圖1所示。

圖1 人體三維模型

2.2 在ADAMS中建立地面模型

由SolidWorks建立的模型數(shù)據(jù)格式需要轉(zhuǎn)化成Parasolid格式，這樣轉(zhuǎn)化效率高而且可實(shí)現(xiàn)模型的完整轉(zhuǎn)換。在ADAMS中，虛擬的三維尺寸應(yīng)能夠反映真實(shí)環(huán)境中相應(yīng)的三維尺寸與位置關(guān)系，由于ADAMS的建模功能并不是十分強(qiáng)大，故只建立一個(gè)簡單的地面模型，如圖2所示。

圖2 地面模型

3 步態(tài)仿真研究

人體的步態(tài)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，需要有較為合理的坐標(biāo)系才能對(duì)其進(jìn)行分析。坐標(biāo)系有圓柱坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系、笛卡爾坐標(biāo)系[6]，為了能更準(zhǔn)確地描述方位，選用笛卡爾坐標(biāo)系。

步態(tài)的仿真是對(duì)人體模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，動(dòng)力學(xué)分析法分為正向動(dòng)力學(xué)和逆向動(dòng)力學(xué)[7]。正向動(dòng)力學(xué)分析是指直接在各部件上施加驅(qū)動(dòng)力，然后求剛體的運(yùn)動(dòng)軌跡。逆向動(dòng)力學(xué)是指先指定其運(yùn)動(dòng)，然后分析剛體上的驅(qū)動(dòng)力。人體模型的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，構(gòu)件上的力也較為復(fù)雜，因此采用逆向動(dòng)力學(xué)分析的方法更為準(zhǔn)確。

3.1 人體模型各部分參數(shù)的設(shè)定

將模型導(dǎo)入到ADAMS后，設(shè)定各部分的名稱和參數(shù)。人體模型各部件的參數(shù)如表1所示。

表1 人體模型各部分參數(shù)

3.2 創(chuàng)建約束

首先將頭部、頸部、軀干合成一個(gè)整體，肩關(guān)節(jié)建立鉸接，肘部關(guān)節(jié)加入球鉸接副，髖部關(guān)節(jié)為球副，膝關(guān)節(jié)建立鉸接副，踝關(guān)節(jié)建立球副。地面設(shè)置一個(gè)固定副。

仿真人體步態(tài)行走，對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃以及平衡的控制，在研究人體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，加載驅(qū)動(dòng)器，足部和地面應(yīng)設(shè)置接觸并且使足部在地面上方，設(shè)置為碰撞，并設(shè)置碰撞的剛度、阻尼等參數(shù)，然后施加重力，創(chuàng)建出符合實(shí)際條件下的步態(tài)運(yùn)動(dòng)模型。圖3為添加了約束后的模型。

圖3 加入約束的人體模型

3.3 關(guān)節(jié)角度變化控制函數(shù)設(shè)計(jì)

使用STEP函數(shù)對(duì)角度進(jìn)行控制，它的基本形式為：STEP(x，x0，h0，x1，h1)。其中：x為自變量，可以是時(shí)間或任一函數(shù)；x0為自變量的開始值；x1為自變量的結(jié)束值；h0為STEP函數(shù)的初始值；h1為STEP函數(shù)的最終值。

使用STEP函數(shù)來模擬肢體角度的變化，x、x0、h0、x1、h1分別用來表示時(shí)間、初始時(shí)間、初始轉(zhuǎn)動(dòng)角度、結(jié)束時(shí)間、終止轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

人的行走是一個(gè)一個(gè)周期活動(dòng)，一個(gè)步態(tài)周期是指從腳跟著地到腳跟再次著地的時(shí)間。步態(tài)周期分為支撐相和擺動(dòng)相，支撐相是指腳跟著地到腳離地，每只腳的支撐相分為首次觸地、支撐初期、支撐中期、支撐末期4個(gè)部分，占整個(gè)步態(tài)周期的60%左右。擺動(dòng)相是腳尖離地到腳跟著地，分為擺動(dòng)早期、擺動(dòng)中期、擺動(dòng)末期，大約占整個(gè)步態(tài)周期40%。人體行走步態(tài)周期見圖4。

圖4 人體行走步態(tài)周期

3.4 人體模型運(yùn)動(dòng)仿真

設(shè)置仿真時(shí)間為2.5 s，步長為100步，圖5為模型的運(yùn)動(dòng)仿真。圖6為大腿、小腿質(zhì)心在水平方向上的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖7和圖8分別為大腿質(zhì)心和小腿質(zhì)心在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖9為足底壓力曲線。為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將測量好的數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模型的仿真是合理的，符合生物力學(xué)的原理。

圖5 模型的運(yùn)動(dòng)仿真

圖6 腿部質(zhì)心在水平方向上的運(yùn)動(dòng)軌跡

4 結(jié)論

人體模型的步態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真能夠反映人行走的規(guī)律。由于人體的結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的，故本文對(duì)于人步態(tài)的研究主要從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的角度著手，通過簡化人體模型和約束分析，研究腿部運(yùn)動(dòng)軌跡和足底壓力變化特點(diǎn)，對(duì)于步態(tài)識(shí)別和機(jī)器人研究具有一定的價(jià)值。

圖7 大腿質(zhì)心在豎直方向上的軌跡

圖8 小腿質(zhì)心在豎直方向上的軌跡

圖9 足底壓力F的變化曲線

[1] 石俊,姜壽山,張欣,等.人體步態(tài)研究與仿真的現(xiàn)狀和展望[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18(10):2703-2711.

[2] 羅小美,袁清柯.基于ADAMS人體上肢動(dòng)力學(xué)的建模與仿真研究[J].機(jī)電工程技術(shù),2006,35(10):44-46.

[3] 劉健,鄭建榮,吳青.基于ADAMS的人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2012,29(6):202-204.

[4] 紀(jì)陽陽,趙輝,張曉利.基于多類特征融合的步態(tài)識(shí)別算法[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009,31(5):67-70.

[5] 郝衛(wèi)亞.人體運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)建模與計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)展[J].醫(yī)用生物力學(xué),2011,26(2):97-104.

[6] 耿艷利,楊鵬,劉作軍,等.下肢運(yùn)動(dòng)信息采集與運(yùn)動(dòng)仿真[J].醫(yī)用生物力學(xué),2012,28(1):98-103.

[7] 金德聞，張濟(jì)川.康復(fù)工程與生物機(jī)械學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.

Human Body Gait Movement Simulation Based on ADAMS

YANG Nan1, DAI Shi-jie1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 2. State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

Based on analysis of human body structure and movement, a model of the human body was established by use of SolidWorks. The model was exported into ADAMS, the kinematical and dynamical simulation of gait was accomplished. The curves of leg centroid motion and plantar pressure were obtained. It provides a theoretical basis for humanoid science and gait recognition.

human model; ADAMS; gait; simulation

1672- 6413(2015)06- 0056- 03

2015- 04- 20；

2015- 08- 20

楊楠(1988-)，男，山西太原人，在讀碩士研究生，主要研究方向：智能機(jī)器人，模式識(shí)別。

TP391.7∶TP391.9

A