上肢骨骼模型的建立

常影 孟凡冬 鄭福建 朱帥飛

1、吉林農業科技學院機械與土木工程學院 2、中國電子科技集團第五十三研究所第六研究部

引言

人體上肢是人體運動、工作和生活活動的重要組成，如何建立人體的上肢模型尤為重要。1972 年開始人體的模型建模在國外就已經很流行。在研究人體模型時，如何去獲得這些數據就非常重要。M.M.Ayoub 提出了描述人體上肢運動方程的研究方向[1]。1975 年Arun Garg 等人通過建立三維模型來預測手的38 個不同位置的力[2]。Delp 在骨肌系統動力學建模的過程中，不僅僅采用了多剛體動力學方法，還應用了Hill 模型，并在后續的研究過程中形成了仿真計算軟件[3]。隨著計算機技術的發展人們開始將計算融入到計算機仿真程序中，后期有了計算機仿真軟件Anybody和OpenSim。基于大量的實驗研究，經驗公式具有很強的精度，因此可以通過經驗公式獲得人體數據。

1 上肢骨肌模型的生理結構分析

一般人體上肢可以分為三個環節，也就是上臂、前臂和手掌。上臂的邊界點是肩點和橈骨點，質心測量的起點是橈骨點。前臂的分界點是骶骨莖突過程的半徑點和過程點，質心測量的起點是骶骨莖突的過程點。手掌的分割點是莖突的過程點和中指點，質心測量的起點是中指點。

為了實現人體的運動，人體的骨和骨等組織的連接需要借助纖維組織等。骨和骨的連接有直接和間接連接。肩關節可以近似為球副連接，并且可以設置為三個自由度。肘關節可以設定為1 個自由度。尺子的遠端關節可以完成內旋前的運動，即在脛骨坐標系中增加一定的自由度。踝關節可以執行諸如屈曲和伸展、內收和外展的關節運動，即在手骨坐標系中設置兩個自由度。

關節角度設定如下：肩關節旋轉角度為θ1，根據右手定則，旋內為正，旋外為負，旋轉角度設置為-90°至90°；由于同樣的原因，肩關節外展角為θ2，內收為正，外展為負，旋轉角度范圍設定為-180°至20°；肩關節屈曲角度為θ3，遠離冠狀面為正，反之亦然。旋轉角度設定為-70°至180°；肘關節屈伸角度設為θ4，屈為正，伸為負，旋轉角度范圍為0°至150°；對于θ5，內部旋轉為正，外部旋轉為負。旋轉角度范圍設定為0°至180°；展開角度為θ6，內收為正，外展為負，旋轉角度范圍為-25°至35°；腕關節屈伸角度為θ7，彎曲為正，伸展為正負，旋轉角度設定，范圍設定為-70°至70°。

在OpenSim 仿真中，坐標系的建立、尺度的確定以及人體運動數據的采集都是通過采集標志點來確定的。因此，首先需要設置標記點。在三維空間中，對于肢體運動，運動數據需要采集整個肢體關節的運動。設置坐標系時，只需在相應節點上設置標記點即可。

2 上肢骨骼模型的建立研究

通常，骨骼肌模型的獲得依賴于醫學成像技術。最常見的方法是掃描CT 掃描儀以獲得單個切片。為了確保模型的準確性，切片和切片之間的距離通常非常短。三維重建技術用于重建切片數據以獲得人體骨骼，并設置每個鏈接的參數。

在正常情況下，可以根據每個環節劃分人體肢體，并根據每個環節的參數建立上肢骨骼系統模型。要構建個性化的人體骨骼系統模型，可以使用OpenSim 下的縮放模塊。

通常，在OpenSim 中，手動和自動縮放都可用于縮放建模。兩種方法都基于標記點的測量數據。根據人體解剖學知識，體重與體重之間通常存在一定的比例關系。人工縮放方法基于這一原理，使得人體每個環節的質量與原始模型的各個環節的質量一致。

在捕獲時，人體處于靜止狀態，并分別獲得這些點的廣義空間坐標位置數據。在建立原始模型后，使用模擬軟件OpenSim 比例來導入人體測量數據以獲得新模型。

3 總結

本文介紹了人體骨骼模型的研究意義和重要性，對上肢骨肌模型的生理結構進行了分析，并完成了上肢骨骼模型的建立。