基于骨肌力学的人体髋关节逆向动力学仿真及分析李嘉成连晖段朋云丁晓红摘要：髋关节是人体最重要最复杂的关节之一，研究髋关节生物力学性能和评估治疗骨科疾病的植入物需要准确且符合实际的生理载荷环境，因此，深入研究髋关节在人体常见行为动作下的载荷工况具有重要意义。本文基于AnyBody软件平台对人体常见的典型行为动作进行骨肌建模和逆向动力学仿真，计算求解后分析人体双腿站立和步态运动时髋骨所受关节力及主要肌肉力的变化情况，得出的结果可为髋关节生物力学的相关研究提供支持帮助，所用的方法还可以应用到其它骨骼的研究上。关键词：AnyBody软件;逆向动力学;步态;仿真分析：R319;TP3：ADOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.007本文著录格式：李嘉成，连晖，段朋云，等.基于骨肌力学的人体髋关节逆向动力学仿真及分析[J].软件，2020，41（09）：2629+42【Abstract】：Thehipjointisoneofthemostimportantandcomplexjointsinthehumanbody.Thestudyofthebiomechanicalpropertiesofthehipjointandtheevaluationofimplantsforthetreatmentoforthopedicdiseasesneedaccurateandrealisticphysiologicalloadenvironment.Therefore，itisofgreatsignificancetoobtainanddeeplystudytheloadconditionsofthehipjointunderthecommonbehaviorofthehumanbody.BasedontheAnyBodysoftwareplatform，thispapercarriesontheboneandmusclemodelingandreversedynamicssimulationofthetypicalbehaviorofthehumanbody，andobtainsthehipjointforceandthemainmuscleforceofthehumanbodyfromsittingposturetostandingandgaitmovement，andanalyzestheirchanges.Theresultscanprovidesupportandhelpforresultscanprovidesupportandhelpfortheanalysisofmechanicalcharacteristicsofhipjointandbiomechanicalresearchsuchasfracturetreatmentandfunctionaltraining.Themethodcanalsobeappliedtothestressanalysisofotherbonesandthestudyofrehabilitationexercise.【Keywords】：Anybodymodelingsystem;Inversedynamic;Gait;Simulationanalysis0引言由髋臼和股骨头及其附着的韧带等组成的髋关节在人体各种行为动作中的作用十分重要，因此骨科疾病如骨折和骨质疏松等的治疗需要对髋关节生理功能及其力学性能等进行深入的研究和充分的认识。由于髋关节解剖结构复杂且动作变化多样，研究髋关节的生物力学性能和评估用于治疗骨科疾病的植入物时，现有的文献多采用简化的载荷工况等往往采用以往的文献或简化的生理载荷工况进行分析，分析时或根据实验简单加载进行仿真，或多考虑模拟单腿或双腿站立时的关节力[1-5]，如只考虑模拟单腿站立时的关节力，或按照生物力学实验研究时所用的简单加载，载荷工况较为单，而考虑肌肉力和复杂行为动作生理载荷的髖关节力学分析较少。随着计算机技术和实验设备的发展，对于一些复杂行为動作，可以通过运用运动捕捉系统对人群样本进行试验测试获得相关运动学和动力学参数，也可以利用基于逆向动力学方法的数值模型获取肌肉和关节等的相关规律和力学参数，这就为骨生物力学的研究提供了极大帮助，尤其是利用数值模型建立类似人体的骨肌系统并对相关运动进行仿真和计算求解具有独特的优势，成为研究人体运动和提取复杂载荷工况的重要手段[6]。本文基于AnyBody软件平台对人体常见的典型行为动作进行骨肌建模和逆向动力学仿真，计算求解后得到人体从坐姿到站立过程和步态运动时髋骨所受关节力及主要肌肉力，并对其变化情况进行分析，为髋关节力学特征和功能训练等生物力学的研究提供更符合体内受力环境的载荷工况。1AnyBody软件人体骨肌建模AnyBody是基于骨肌系统对运动生物力学进行逆向动力学分析的一款软件，可通过其内部语言Anyscript的编写对人体部分或整体骨肌系统进行建模，并通过内部算法进行求解得到各个关节和肌肉的作用力[7]。1.1模型及比例缩放本文选择坐站转移和步态行走两种常见的行为动作进行仿真分析，根据中国居民营养与慢性病状况报告（2015）[8]，以中国男性平均身高体重为例，以身高H=167cm，体重M=66kg的成年男性建立骨肌模型，如图1所示。骨骼肌...