上肢骨骼模型的建立

常影 孟凡冬 郑福建 朱帅飞

1、吉林农业科技学院机械与土木工程学院 2、中国电子科技集团第五十三研究所第六研究部

引言

人体上肢是人体运动、工作和生活活动的重要组成，如何建立人体的上肢模型尤为重要。1972 年开始人体的模型建模在国外就已经很流行。在研究人体模型时，如何去获得这些数据就非常重要。M.M.Ayoub 提出了描述人体上肢运动方程的研究方向[1]。1975 年Arun Garg 等人通过建立三维模型来预测手的38 个不同位置的力[2]。Delp 在骨肌系统动力学建模的过程中，不仅仅采用了多刚体动力学方法，还应用了Hill 模型，并在后续的研究过程中形成了仿真计算软件[3]。随着计算机技术的发展人们开始将计算融入到计算机仿真程序中，后期有了计算机仿真软件Anybody和OpenSim。基于大量的实验研究，经验公式具有很强的精度，因此可以通过经验公式获得人体数据。

1 上肢骨肌模型的生理结构分析

一般人体上肢可以分为三个环节，也就是上臂、前臂和手掌。上臂的边界点是肩点和桡骨点，质心测量的起点是桡骨点。前臂的分界点是骶骨茎突过程的半径点和过程点，质心测量的起点是骶骨茎突的过程点。手掌的分割点是茎突的过程点和中指点，质心测量的起点是中指点。

为了实现人体的运动，人体的骨和骨等组织的连接需要借助纤维组织等。骨和骨的连接有直接和间接连接。肩关节可以近似为球副连接，并且可以设置为三个自由度。肘关节可以设定为1 个自由度。尺子的远端关节可以完成内旋前的运动，即在胫骨坐标系中增加一定的自由度。踝关节可以执行诸如屈曲和伸展、内收和外展的关节运动，即在手骨坐标系中设置两个自由度。

关节角度设定如下：肩关节旋转角度为θ1，根据右手定则，旋内为正，旋外为负，旋转角度设置为-90°至90°；由于同样的原因，肩关节外展角为θ2，内收为正，外展为负，旋转角度范围设定为-180°至20°；肩关节屈曲角度为θ3，远离冠状面为正，反之亦然。旋转角度设定为-70°至180°；肘关节屈伸角度设为θ4，屈为正，伸为负，旋转角度范围为0°至150°；对于θ5，内部旋转为正，外部旋转为负。旋转角度范围设定为0°至180°；展开角度为θ6，内收为正，外展为负，旋转角度范围为-25°至35°；腕关节屈伸角度为θ7，弯曲为正，伸展为正负，旋转角度设定，范围设定为-70°至70°。

在OpenSim 仿真中，坐标系的建立、尺度的确定以及人体运动数据的采集都是通过采集标志点来确定的。因此，首先需要设置标记点。在三维空间中，对于肢体运动，运动数据需要采集整个肢体关节的运动。设置坐标系时，只需在相应节点上设置标记点即可。

2 上肢骨骼模型的建立研究

通常，骨骼肌模型的获得依赖于医学成像技术。最常见的方法是扫描CT 扫描仪以获得单个切片。为了确保模型的准确性，切片和切片之间的距离通常非常短。三维重建技术用于重建切片数据以获得人体骨骼，并设置每个链接的参数。

在正常情况下，可以根据每个环节划分人体肢体，并根据每个环节的参数建立上肢骨骼系统模型。要构建个性化的人体骨骼系统模型，可以使用OpenSim 下的缩放模块。

通常，在OpenSim 中，手动和自动缩放都可用于缩放建模。两种方法都基于标记点的测量数据。根据人体解剖学知识，体重与体重之间通常存在一定的比例关系。人工缩放方法基于这一原理，使得人体每个环节的质量与原始模型的各个环节的质量一致。

在捕获时，人体处于静止状态，并分别获得这些点的广义空间坐标位置数据。在建立原始模型后，使用模拟软件OpenSim 比例来导入人体测量数据以获得新模型。

3 总结

本文介绍了人体骨骼模型的研究意义和重要性，对上肢骨肌模型的生理结构进行了分析，并完成了上肢骨骼模型的建立。