上肢骨骼模型的建立

常影 孟凡冬 鄭福建 朱帥飛

1、吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械與土木工程學(xué)院 2、中國電子科技集團(tuán)第五十三研究所第六研究部

引言

人體上肢是人體運(yùn)動(dòng)、工作和生活活動(dòng)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(jīng)很流行。在研究人體模型時(shí)，如何去獲得這些數(shù)據(jù)就非常重要。M.M.Ayoub 提出了描述人體上肢運(yùn)動(dòng)方程的研究方向[1]。1975 年Arun Garg 等人通過建立三維模型來預(yù)測(cè)手的38 個(gè)不同位置的力[2]。Delp 在骨肌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模的過程中，不僅僅采用了多剛體動(dòng)力學(xué)方法，還應(yīng)用了Hill 模型，并在后續(xù)的研究過程中形成了仿真計(jì)算軟件[3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展人們開始將計(jì)算融入到計(jì)算機(jī)仿真程序中，后期有了計(jì)算機(jī)仿真軟件Anybody和OpenSim?；诖罅康膶?shí)驗(yàn)研究，經(jīng)驗(yàn)公式具有很強(qiáng)的精度，因此可以通過經(jīng)驗(yàn)公式獲得人體數(shù)據(jù)。

1 上肢骨肌模型的生理結(jié)構(gòu)分析

一般人體上肢可以分為三個(gè)環(huán)節(jié)，也就是上臂、前臂和手掌。上臂的邊界點(diǎn)是肩點(diǎn)和橈骨點(diǎn)，質(zhì)心測(cè)量的起點(diǎn)是橈骨點(diǎn)。前臂的分界點(diǎn)是骶骨莖突過程的半徑點(diǎn)和過程點(diǎn)，質(zhì)心測(cè)量的起點(diǎn)是骶骨莖突的過程點(diǎn)。手掌的分割點(diǎn)是莖突的過程點(diǎn)和中指點(diǎn)，質(zhì)心測(cè)量的起點(diǎn)是中指點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)人體的運(yùn)動(dòng)，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(guān)節(jié)可以近似為球副連接，并且可以設(shè)置為三個(gè)自由度。肘關(guān)節(jié)可以設(shè)定為1 個(gè)自由度。尺子的遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)可以完成內(nèi)旋前的運(yùn)動(dòng)，即在脛骨坐標(biāo)系中增加一定的自由度。踝關(guān)節(jié)可以執(zhí)行諸如屈曲和伸展、內(nèi)收和外展的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，即在手骨坐標(biāo)系中設(shè)置兩個(gè)自由度。

關(guān)節(jié)角度設(shè)定如下：肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度為θ1，根據(jù)右手定則，旋內(nèi)為正，旋外為負(fù)，旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置為-90°至90°；由于同樣的原因，肩關(guān)節(jié)外展角為θ2，內(nèi)收為正，外展為負(fù)，旋轉(zhuǎn)角度范圍設(shè)定為-180°至20°；肩關(guān)節(jié)屈曲角度為θ3，遠(yuǎn)離冠狀面為正，反之亦然。旋轉(zhuǎn)角度設(shè)定為-70°至180°；肘關(guān)節(jié)屈伸角度設(shè)為θ4，屈為正，伸為負(fù)，旋轉(zhuǎn)角度范圍為0°至150°；對(duì)于θ5，內(nèi)部旋轉(zhuǎn)為正，外部旋轉(zhuǎn)為負(fù)。旋轉(zhuǎn)角度范圍設(shè)定為0°至180°；展開角度為θ6，內(nèi)收為正，外展為負(fù)，旋轉(zhuǎn)角度范圍為-25°至35°；腕關(guān)節(jié)屈伸角度為θ7，彎曲為正，伸展為正負(fù)，旋轉(zhuǎn)角度設(shè)定，范圍設(shè)定為-70°至70°。

在OpenSim 仿真中，坐標(biāo)系的建立、尺度的確定以及人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集都是通過采集標(biāo)志點(diǎn)來確定的。因此，首先需要設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)。在三維空間中，對(duì)于肢體運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)需要采集整個(gè)肢體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。設(shè)置坐標(biāo)系時(shí)，只需在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)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(yī)學(xué)成像技術(shù)。最常見的方法是掃描CT 掃描儀以獲得單個(gè)切片。為了確保模型的準(zhǔn)確性，切片和切片之間的距離通常非常短。三維重建技術(shù)用于重建切片數(shù)據(jù)以獲得人體骨骼，并設(shè)置每個(gè)鏈接的參數(shù)。

在正常情況下，可以根據(jù)每個(gè)環(huán)節(jié)劃分人體肢體，并根據(jù)每個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)建立上肢骨骼系統(tǒng)模型。要構(gòu)建個(gè)性化的人體骨骼系統(tǒng)模型，可以使用OpenSim 下的縮放模塊。

通常，在OpenSim 中，手動(dòng)和自動(dòng)縮放都可用于縮放建模。兩種方法都基于標(biāo)記點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)人體解剖學(xué)知識(shí)，體重與體重之間通常存在一定的比例關(guān)系。人工縮放方法基于這一原理，使得人體每個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量與原始模型的各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量一致。

在捕獲時(shí)，人體處于靜止?fàn)顟B(tài)，并分別獲得這些點(diǎn)的廣義空間坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)。在建立原始模型后，使用模擬軟件OpenSim 比例來導(dǎo)入人體測(cè)量數(shù)據(jù)以獲得新模型。

3 總結(jié)

本文介紹了人體骨骼模型的研究意義和重要性，對(duì)上肢骨肌模型的生理結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并完成了上肢骨骼模型的建立。