第10卷第4期 智能系统学报 Vol.10 No.4 2015年8月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Aug.2015 D0:10.3969/j.issn.1673-4785.201503039 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.tp.20150702.1104.001.html 人体下肢生物力学建模研究进展 邵明旭，王斐，般腾龙，刘健 (东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳110819) 摘要：人体下肢生物力学建模与仿真是穿戴式外骨骼机器人系统开发的一个重要内容。对其研究所获得相关的 理论与技术方法对生物动力学、康复医学、假肢及运动康复器械设计等领域的发展具有促进作用。本文以人体下肢 生物力系统为研究对象，概括和总结了国内外下肢建模与仿真技术的研究现状，就目前普遍采用的基于Lagrange方 程和角动量定理的多刚体模型法、仿真软件建模法、H三元素法、黑箱训练等方法进行了详细的分析，并对研究趋 势进行了展望。本文所综述的动力学建模与仿真验证方法对实现穿戴式外骨骼机器人和谐自然人机交互设计具有 重要的指导意义。 关键词：下肢生物力学建模；Lagrange方程；角动量定理；Hill模型；仿真软件建模；黑箱训练法 中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：1673-4785(2015)04-0518-10 中文引用格式：邵明旭，王斐，殷腾龙，等.人体下肢生物力学建模研究进展[J].智能系统学报，2015,10(4)：518-527. 英文引用格式：SHAO Mingxu,WANG Fei,YIN Tenglong,etal.Progress on the research of human lower limb biomechanical modeling[J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2015,10(4):518-527. Research progress on the human lower limb biomechanical modeling SHAO Mingxu,WANG Fei,YIN Tenglong,LIU Jian (College of Information Science and Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China) Abstract:The research on the biomechanical modeling and simulation of human lower limbs is an important content in the development of wearable exoskeleton robots.Theoretical and technical methods derived from this research can promote the process of biomechanics,rehabilitation medicine and prosthetic/orthotic devices.This work reviews the state-of-the-art techniques for modeling and simulating biomechanics of human lower limbs and makes analysis of popular methods,such as multi-body modeling,simulation software modeling,Hill three elements modeling and black box training modeling based on Lagrange equation and theorem of angular momentum.The future prospects in this research field are also provided in this paper.The biomechanical modeling and simulating methods discussed is of great significance to the design of naturally harmonious human-robot interaction of wearable exoskeleton robots. Keywords:biomechanical modeling of human lower limb;Lagrange equation;theorem of angular momentum;Hill model;simulation software modeling;black box training modeling 随着MEMS、材料、控制和计算机技术的飞速发围内引起了越来越多学者的关注。但目前的动力外 展，以及我国快速进入老龄化社会后对康复辅助设 骨骼和假肢研究存在的一个共性问题是对人体感觉 备的旺盛需求，穿戴式外骨骼机器人技术在世界范 运动控制、生物力学等知识了解不够，这就导致了 虽然设计出了先进的机器人硬件和软件，但由于没 收稿日期：2015-03-24.网络出版日期：2015-07-02 有考虑人如何作用，因此设备在与人交互和协同方 基金项目：中央高校基础科研业务费资助项目(120124002)：辽宁省自 面效果欠佳。由于人体结构和功能的特殊性和复杂 然科学基金资助项目(2013020040). 通信作者：王斐.E-mail:wangfei@(ise.ncu.cd.cn 性，建立一个能完全反映人体状态的生物力学模型第 １０ 卷第 ４ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１０ №．４ ２０１５ 年 ８ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｕｇ． ２０１５ ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１５０３０３９ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ｔｐ．２０１５０７０２．１１０４．００１．ｈｔｍｌ 人体下肢生物力学建模研究进展 邵明旭，王斐，殷腾龙，刘健 （东北大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 １１０８１９） 摘 要：人体下肢生物力学建模与仿真是穿戴式外骨骼机器人系统开发的一个重要内容。 对其研究所获得相关的 理论与技术方法对生物动力学、康复医学、假肢及运动康复器械设计等领域的发展具有促进作用。 本文以人体下肢 生物力系统为研究对象，概括和总结了国内外下肢建模与仿真技术的研究现状，就目前普遍采用的基于 Ｌａｇｒａｎｇｅ 方 程和角动量定理的多刚体模型法、仿真软件建模法、Ｈｉｌｌ 三元素法、黑箱训练等方法进行了详细的分析，并对研究趋 势进行了展望。 本文所综述的动力学建模与仿真验证方法对实现穿戴式外骨骼机器人和谐自然人机交互设计具有 重要的指导意义。 关键词：下肢生物力学建模；Ｌａｇｒａｎｇｅ 方程；角动量定理；Ｈｉｌｌ 模型；仿真软件建模；黑箱训练法 中图分类号： ＴＰ３９１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１５）０４⁃０５１８⁃１０ 中文引用格式：邵明旭，王斐，殷腾龙，等． 人体下肢生物力学建模研究进展［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１５， １０（４）： ５１８⁃５２７． 英文引用格式：ＳＨＡＯ Ｍｉｎｇｘｕ， ＷＡＮＧ Ｆｅｉ， ＹＩＮ Ｔｅｎｇｌｏｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂ ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１５， １０（４）： ５１８⁃５２７． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂ ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ＳＨＡＯ Ｍｉｎｇｘｕ， ＷＡＮＧ Ｆｅｉ， ＹＩＮ Ｔｅｎｇｌｏｎｇ， ＬＩＵ Ｊｉａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０８１９， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂｓ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｗｅａｒａｂｌｅ ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ ｒｏｂｏｔｓ． Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ， ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ ｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃ ／ ｏｒｔｈｏｔｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ． Ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ ｒｅｖｉｅｗｓ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ⁃ｏｆ⁃ｔｈｅ⁃ａｒｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂｓ ａｎｄ ｍａｋｅｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｏｐｕｌａｒ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ｍｕｌｔｉ⁃ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ， ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ， Ｈｉｌｌ ｔｈｒｅｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｂｌａｃｋ ｂｏｘ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｌａｇｒａｎｇｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｍ ｏｆ ａｎｇｕｌａｒ ｍｏｍｅｎｔｕｍ． Ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｉｅｌｄ ａｒｅ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｅ ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｓ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌｌｙ ｈａｒｍｏｎｉｏｕｓ ｈｕｍａｎ⁃ｒｏｂｏｔ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅａｒａｂｌｅ ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ ｒｏｂｏｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂ； Ｌａｇｒａｎｇｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ； ｔｈｅｏｒｅｍ ｏｆ ａｎｇｕｌａｒ ｍｏｍｅｎｔｕｍ； Ｈｉｌｌ ｍｏｄｅｌ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ； ｂｌａｃｋ ｂｏｘ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｍｏｄｅｌｉｎｇ 收稿日期：２０１５⁃０３⁃２４． 网络出版日期：２０１５⁃０７⁃０２． 基金项目：中央高校基础科研业务费资助项目（ １２０１２４００２）；辽宁省自 然科学基金资助项目（２０１３０２００４０）． 通信作者：王斐． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｗａｎｇｆｅｉ＠ ｉｓｅ．ｎｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ． 随着 ＭＥＭＳ、材料、控制和计算机技术的飞速发 展，以及我国快速进入老龄化社会后对康复辅助设 备的旺盛需求，穿戴式外骨骼机器人技术在世界范 围内引起了越来越多学者的关注。 但目前的动力外 骨骼和假肢研究存在的一个共性问题是对人体感觉 运动控 制、生物力学等知识了解不够，这就导致了 虽然设计出了先进的机器人硬件和软件，但由于没 有考虑人如何作用，因此设备在与人交互和协同方 面效果欠佳。 由于人体结构和功能的特殊性和复杂 性，建立一个能完全反映人体状态的生物力学模型