Lifemod在运动生物力学中的应用

２．２ Ｌｉｆｅｍｏｄ Ｌｉｆｅｍｏｄ 是 在 ＭＳＣ．ＡＤＡＭＳ 基 础 上 进 行 的 二 次 开
发， 用以研究人体生物力学特征的数字仿真软件。
１９ 个环节 ， 但可以根据研究精度的要求进行增减 ， 从
而建立不同精度的人体模型［２］。 从创建人体基础模型方面来看 ， Ｌｉｆｅｍｏｄ 的快捷方 便 明 显 优 于 Ｈａｎａｖａｎ 模 型 ， 且更贴近真实效果 。 不仅如此 ， Ｌｉｆｅｍｏｄ 在创 建完人体基础模型后 ， 可以 根据需要继续为该模型自动 添加人体关节及肌肉 ， 每个 关节自由度上能够单独设置 人体运动。图 ４ 为运用
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２ 多体动力学数字仿真软件 Ｌｉｆｅｍｏｄ 简 介
２．１ ＡＤＡＭＳ ＡＤＡＭＳ 即 Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍｅｃｈａ－ ｎｉｓｍ Ｓｙｓｔｅｍ 由美国 ＭＳＣ 公司研发 ， 属于机械系统动力
最领先的多体动力学 学仿真分析软件 ， 是目前最成熟 、 数字仿真软件 。
１ 仿真简介
仿真是一种间接试验技术 ， 主要建立一个与研究 对象或过程相似的模型 ， 通过模型来间接研究对象的 运动规律 ［１］。 根据模型的类型可分为 ： 物理仿真 、 数字 仿真和多体动力学仿真 。 物理仿真 ， 又称为实物仿真 ， 它是按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型 ， 数字仿真 ， 是按 使模型与实物具有相似的物理特性 ［２］。 照真实系统的数学关系构造数学模型 ， 使模型与实物 具有相似的数学特性 ， 类似于数学仿真 ； 多体动力学仿 真 ， 是根据多体系统动力学原理 ， 建立所需的人体动力
第 ６ 卷第 ４ 期 ２００７ 年 １２ 月
南京体育学院学报（ 自然科学版 ）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ （ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）
Ｖｏｌ．６ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２００７
●综述与研究 Ｍｉｎｉ Ｒｅ ｖｉｅ ｗｓ ａ ｎｄ Ｓ ｔｕｄｙ
ＬｉｆｅＭＯＤ 生物力学数字仿真软件可用于建立任何生物
系统的生物力学模型 。 这种仿真技术可建立各种各样 的人体运动生物力学模型 ； 这些模型既能够再现现实 的人体运动 ， 也能够按照一定的意愿预测非现实的人 体运动 ； 通过人体动作的模拟和仿真 ， 计算出人体在运 动过程中的运动学和动力学数据 。
［２］
Ｌｉｆｅｍｏｄ 自带了 ６ 个人体
形态学数据库 ， 包括 ＧｅＢＯＤ 数据库、 ＰｅｏｐｌｅＳｉｚｅ 数 据 库 美国人、 日本 （ 包括英国人、 人 和 中 国 人 ＰｅｏｐｌｅＳｉｚｅ 数 据 图 １ 库） 、 ＵＳ Ａｒｍｙ 数 据 库 。 我 们 模型 可以 调 用 数 据 库 的 人 体 形 态
Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｆｅｍｏｄ ｉｎ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ Ｏｆ Ｓｐｏｒｔｓ
ＳＵ Ｙａｎｇ， ＱＩＡＮ Ｊｉｎｇ－ｇｕａｎｇ， ＳＯＮＧ Ｙａ－ｗｅｉ （Ｄｅｐｔ． ｏｆ Ｈｕｍａｎ Ｓｐｏｒｔｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐ Ｅ， Ｎａｎｊｉｎｇ， ２１００１４， Ｊｉａｎｇｓｕ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｌｉｆｅｍｏｄ ｉｓ ａ ｍｏｒｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ｂｏｄｙ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｗｏｒｌｄ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎｐｕｔｔｉｎｇ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒ， ｉｔ ｍａｙ ｆａｓｔ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｃ ｍａｎｉｋｉｎ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ； Ｉｔ ｍａｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃａｐｔｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｍａｎｉｋｉｎ ｍｏｖｅｍｅｎｔ； Ｉｔ ｍａｙ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｍｏｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｕｓｃｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎ ａ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｐｒｏ－ ｃｅｓｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｕｓｃｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ； Ｉｔ ｍａｙ ａｌｓｏ ｇａｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｓｔａｂ－ ｌｉｓｈｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ． Ａｓ ａｎ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｔｏｏｌ ｓｕｐｐｏｒｔ， ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗｉｌｌ ｄｅｖｅｌｏｐ ｔｈｅ ｎｅｗ ｄｏ－ ｍａｉｎ ｉｎ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎｈｅｒｅｎｔ ｌａｗｓ ａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉｂｏｄｙ ｓｙｓｔｅｍｓ； ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ｓｐｏｒｔｓ
运用拉 格 朗 日 方 法 推
导出一个单支点的简化 ｎ 环节链运动方程 ， 并以此推 算出单杠向后大回环时各环节间的力矩 ； Ｂａｕｅｒ （ １９８１，
１９８３，１９８５，１９８７）
［５－ ８］
分别讨论了单杠上人体摆动的髋
［９］
关节控制机制 、 机械能增长方式及物理实体模型 ， 并推 导了相应的动力学方程 ； 刘延柱（ １９８７ 年 ） 通过双复 摆模型 ， 讨论了单杠振浪的力学特征等 ； 钱竞光等根据 多体动力学原理 ， 进行了单杠后摆空翻再握创新动作 的计算机设计和实验训练 ， 建立了模拟人体运动的动 力学模型 。 这些都表明了通过数学上的模型处理对 于研究理解人体这样一个生物力学系统的复杂动力学 行为是非常有意义的 。 随着计算机仿真软件功能的不 断开发 ， 数字仿真将传统的建模方法和计算机模拟合 为一体 ， 通过计算机的虚拟模型进行虚拟试验 ， 为运动 生物力学研究及应用开辟了一条新的途径 。
可以进一步进行正向动力学仿真 ， 从而获得关节力矩 等动力学数据 。 图 ７ 是 用 Ｌｉｆｅｍｏｄ 建 模 研 究 游 泳 准 备 入 水 姿 势 中 ， 经过反向动力学仿真所获得的膝关节在矢状面的 角度变化 ， 图 ８ 是经过正向动力学仿真后所获取的膝 关节在矢状面的关节力矩变化 。 从上述的对比看来 ， 后 者既快捷又准确 ， 而且更加直观地帮助我们进行动力 学分析 。
Ｌｉｆｅｍｏｄ 另辟蹊径 ， 它包含了与动作捕捉设备生成
的标准 ＡＳＣＩＩ 格式的接口 ， 可以把捕捉到的数据按规 定格式直接输入模型 ， 从而驱动模型运动 。 首先 ， 按
图 ７ 膝关节角度反 向动力学仿真
图 ８ 膝关节关节力矩 正向动力学仿真
３．４ Ｌｉｆｅｍｏｄ 仿真可以获取有关肌肉力量的数据 Ｌｉｆｅｍｏｄ 仿真时 ， 首先进行反向动力学仿真 ， 即人
学模型 ， 对人体运动进行动态模拟 。 数字仿真是使用虚拟样机 ， 通过计算机的虚拟模 型进行虚拟实验 。 其优势在于风险低 、 收益高 、 更新快
［２］
。 运动生物力学通常把人体看成是多体系统 ， 多体
系统动力学理论的不断发展为复杂系统的机构设计 、 分析以及优化提供了有力支持［１］。 在此基础上建立人体 运动的动力学方程 、 获得人体运动中的动力学参数是 运动生物力学理论分析方法的关键步骤 ， 更是运动生 物力学研究的难点之一 ， 这一步常称为建立数学模型 ，
３ Ｌｉｆｅｍｏｄ 在运动生物力学中的应用
３．１ Ｌｉｆｅｍｏｄ 可快速生成人体模型
目前在运动生物力学中最常用的建模方法是应用 多刚体系统动力学的理论建模 ［１０］， 多采用美国汉纳范
Ｌｉｆｅｍｏｄ 创 建 的 游 泳 准 备 入 图 ４ Ｌｉｆｅｍｏｄ 创建的游泳
水姿势模型 。 由一系列的弹簧和阻尼器组成 如果说 Ｌｉｆｅｍｏｄ 骨骼模型与 Ｈａｎａｖａｎ 模型有某些 准备入水姿势模型 注 ： 图中人体各肌肉用红色棍体标示 ， 肌肉模型是
（Ｈａｎａｖａｎ）在 ６４ 年建立的由 １５ 个刚体组成的人体数学
模型 （图 １）， 他将人体视为有限刚体铰接组成的多刚体
第４期
苏 杨 ， 钱竞光 ， 宋雅伟 ： Ｌｉｆｅｍｏｄ 在运动生物力学中的应用
３
相似之处 ， 那么 Ｌｉｆｅｍｏｄ 肌肉模型与 Ｈａｎａｖａｎ 模型相 比就有质的飞跃 。 所有具有骨骼 、 皮肤 、 肌肉的人体模 型与受试对象是成比例的 。 不仅如此 ， Ｌｉｆｅｍｏｄ 还能建 立人 － 机交互模型 ， 即人体模型可以与 ＡＤＡＭＳ 的模 型结合 ， 进行人－ 机交互的研究 。用 Ｌｉｆｅｍｏｄ 建立运动 员的人体模型 ， 接着导入用其他模型软件创建的自行 车模型 ， 最后建立人体与器械之间的作用关系 ， 如接 触、 衬套力等 ， 即可进行人 － 机交互仿真 。
［４］
手臂 、 头 系统 。 在 Ｈａｎａｖａｎ 模型中 ， 把人体简化成由手 、 … 等多个环节 ， 通过关节连接在一起的一个树状结构 的模型 ， 其中每一个环节都可以用一个形状相近似的 几何体来表示 。 如头可近似地看作是椭球 ， 躯干可看作 是圆柱体 ， 大腿可看作圆台等等 。 这样就可以把人体看 作质量是均匀分布的 、 由许多几何体组成的多体系统 。 每一个环节都可以根据几何形状 ， 计算出其质量 、 质心 位置 、 转动惯量等力学参数 ， 这就是人体数学模型 。
Ｌｉｆｅ ｍｏｄ 在运动生物力学中的应用
苏 杨 ， 钱竞光 ， 宋雅伟
（ 南京体育学院运动人体科学系 ， 江苏 南京 ２１００１４ ） 摘 要 ： 多体动力学数字仿真软件 Ｌｉｆｅｍｏｄ 是目前世界上较为先进的人体动力学仿真软件 。 它通过输入人体参数 ， 可以快速建立个性化的多形式的人体模型 ； 通过动作捕捉系统 ， 可以将 测量得到的人体运动转换为人体模型的运动 ； 通过动力学分析和肌肉力计算 ， 可以得到一个 行为过程中的关节力矩和肌肉力 ； 通过建立接触 ， 可以获取人体与外界环境（ 包括器械 ） 的接 触力 。 该仿真软件作为优秀的工具支持 ， 将在人体运动的内在规律及模型的研究上开拓新的领 域。 关键字 ： 多体系统动力学 ； 数字仿真 ； 运动生物力学 中图分类号 ： Ｇ８０４．６ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １６７１－ ５９５０（ ２００７ ） ０４－
３．２ Ｌｉｆｅｍｏｄ 与任何动作捕捉系统有接口 ， 快捷地获得 "#$%&’()*
人体模型建立完成后 ， 就需要给模型加驱动 ， 使得 它能运动起来 。 通常 ， 会把运动学分析的数据 （ 比如通 过 ＡＰＡＳ 三维影像解析软件所得 ） ， 如某关节的位移 、 速度等通过拟合函数形式输入模型 ， 这样的方法要求 有一定的数学物理基础 ， 效率不高 ， 而且容易出错 。
Ｈａｎａｖａｎ
图２ 人体 骨骼 模型 图３ 人体 皮肤 模型
数据直接生成一般的人体模型 ， 更多的时候我们依据
Ｌｉｆｅｍｏｄ 的一套人体形态测量方法量体裁衣 ， 获得个性
化的形态参数 ， 进而根据测量的 ５０ 个身体形态学参数 创建基本的人体模型 。 但不管是从自带数据库直接调用的一般模型还是 通过人体形态测量的生成的个性模型 ， 人体模型的展 现形式一般为骨骼模型（ 图 ２） 、 皮肤模型（ 图 ３ ） 、 肌 肉模型 、 棍图模型等 ， 其他形式在仿真过程中可以根据 需要互相转换 。 Ｌｉｆｅｍｏｄ 创建的基础人体模型通常是
收稿日期 ： ２００７－ １０－ ２８ 第一作者简介 ： 苏 杨（ １９８１－ ） ， 女 ， 江苏常州人 ， 南京体育学院助教 ， 硕士研究生 ， 主要研究方向 ： 运动生物力学 。
２
［３］
南京体育学院学报（ 自然科学版 ）
第６卷
或简称建模 。 多年来 ， 运用模型方法进行运动生物力 学研究的越来越多 。 比如在研究单杠上的人体摆动和 大回环方面 ： Ｄａｉｎｉｓ （ １９７４ 年 ）