摘 要

背包是一种重要的出行运输方式，近年来，颈椎病和腰椎病在全年龄阶段的发病率都持续走高，包括肩颈部的肌肉酸痛和僵直等。错误的背包方式和过大的背包重量是这种情况出现的重要原因之一。本文借助人体建模仿真软件Anybody Modeling System，首先对于行走过程中不同背包方式和背包重量进行仿真，对单肩包直跨、单肩包斜挎、双肩背包三种情况进行了比较，所得结果对于人们获取正确且健康的背包方式具有重要的指导意义。

本文主要研究了不同的背包方式以及不同的背包负载，在人行走过程中，对于人体背部L4/L5关节、脚踝关节和肩部盂肱关节的受力情况的影响。

研究结果表明：背部L4 /L5 关节的受力情况与背包方式和背包负载都相关，而脚踝受力与背包负载相关，与背包方式无关。肩部盂肱关节的受力情况主要与背包方式相关。为降低人体关节受力，在低负载（≤2kg）的情况下，可使用单肩背包；而在中高负载（＞2kg）的情况下，使用双肩包会更利于身体健康，减少肌肉劳损和酸痛的出现。

关键词：Anybody软件；数字人体模型；背包；关节

Abstract

Backpack is an important way of transportation. In recent years, the incidence of cervical spondylosis and lumbar spondylosis has been increasing, including shoulder and neck muscle soreness and stiffness. One of the important reasons for this situation is the wrong way of backpack and the excessive weight of backpack. With the help of Anybody Modeling System, this paper first simulates different backpack modes and backpack weights during walking, and compares the three situations of one-shoulder straddle, one-shoulder straddle and two-shoulder backpack. The results obtained have important guiding significance for people to obtain correct and healthy backpack modes.

In this paper, the stress characteristics of L4/L5 joints, ankle joints and shoulder joints under different backpack modes and loads are studied and compared.

The results show that the force of L4/L5 joint is related to the way of knapsack and the load of knapsack. Ankle force is related to backpack load, but not to the way of backpack. In order to reduce the stress of human joints, one-shoulder backpack can be used under low load (lt; 2kg), while under medium and high load (gt;2kg), two-shoulder backpack will be more conducive to health and reduce muscle strain and soreness.

Key Words：Anybody Software; backpack; digital human model (DHM); joints

目 录

第1章 绪论 1

1.1国内外研究现状分析 1

1.2 本文主要研究内容 2

第2章 建模的基本理论 3

2.1 Anybody Modeling System介绍 3

2.2 逆动力学仿真 5

2.3 人体运动理论 8

2.3.1 人体结构基本特征 8

2.3.2 人体运动学 8

第3章 建立模型 10

3.1 数字人体背包模型 10

3.2 Anybody仿真模型的建立 12

3.2.1 MoCap(动作捕捉)步态模型 12

3.2.2 环境模型的建立 13

3.2.3 部分代码节选 14

3.3不同的背包形式 15

3.4 本章小结 16

第4章 仿真结果 17

4.1 脊椎L4/L5关节 17

4.2 脚踝关节 19

4.3 肩部盂肱关节 20

4.4 总结分析 22

第5章 结论 24

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

在人们的日常生活中，背包出行是一种普遍的运载方式。无论是上班上学、户外旅行、负重训练、军事行军的过程中，都会有背包的参与。背包内的物品虽有不同，但本质上都是人体去进行背负负载进行运动，负载也会改变人体重心的位置。包有各种类型，包括了单肩包、双肩包、手提包等。不同的包的背负方式也各不相同，例如双肩背包以及单肩包的直挎式，和单肩包的斜挎式。不同的背包方式对人体躯干、肌肉及骨骼的影响也各不相同，在不合理的背包姿势下，人体会很容易产生肌肉的疲惫及劳损（如图1.1）。长期负重行走，容易导致脚踝扭伤、肩关节疼痛和腰肌劳损、背部肌肉拉伤等损伤。对不同负重方式和负重的重量的研究，可以加深对于人体生物力学特点的理解以及提供更合理健康的背包背负解决方案，对医疗器械或者辅助背负的人机工程学设备的发展将起到推进作用。

图1.1 过大的负载引起的错误的背包姿势

本研究采用 Anybody 软件创建50百分位数字人背包模型，并研究在行走的过程中不同的背包方式和背包负载对于人体背部L4/L5关节、脚踝关节和肩部盂肱关节的施力特点，并进行比较分析。为负重及背包方式的选择、府中装备的改进和外骨骼及仿人机器人的设计提供理论支撑。

1.1国内外研究现状分析

背包问题一直都是科学界备受瞩目的问题之一。据澳大利亚Grimmer ^[1]等人研究数据，目前儿童背包重量平均为4.3kg，达到了其体重的10%，一半以上的学生都背负着超过自身标准的书包。他的研究中还得出了长时间背负超过自身重量标准的背包会更容易引起背部疼痛和骨骼损伤的结论。Johnson 和 Knapik ^[7]等人也发现过于重的背包背负过久会使得身体疲劳和酸痛的现象。

Carabalona ^[2]在对于青少年背包背负姿态变化的研究中显示，鼻子、肚脐均处在身体正中垂线上的学生有202人，约占总调查人数的1/3。剩余的参与实验的学生都存在着不同程度的身体倾向一侧的情况，而且经研究发现身体向右侧倾斜的学生要多于向左侧倾斜的学生，而且倾斜的程度相对左侧也稍大。

数字人体（Digital Human）^[3-4]是生命科学和信息科学相结合研究的理论。其中的主动人体工程学旨在通过早期发现和减少工作中的风险因素来预防与工作相关的肌肉骨骼疾病work-related musculoskeletal disorders (WMSDs)，例如笨拙的姿势和过度的用力。如今，数字人体建模（DHM）工具通过在设计阶段对工作任务和工作场所进行虚拟模拟来支持主动人体工程学(Longo and Monteil, 2011^[5])。这些工具集成了多种分析，例如可达性，可见性，和人体工程学风险评估等，以研究各种工作场合的替代方案。

通常情况下可以有两种方法来进行数字人体建模：经验统计建模法和肌肉骨骼建模法。前者包括众所周知的软件程序，如3DSSPP和Jack软件，并利用静态强度模型（Chaffin等，2010 ^[6]）来评估由于工作任务请求引起的反应体关节力矩。将这些关节的力矩与经验人口强度数据库进行比较，以估计能够执行任务的人口百分位数，来达到工作任务需求（Bertoloni等人，2012 ^[8]）。后一种方法，即肌肉骨骼建模，由AnyBody Modeling Systems（AMS）等软件组成，使用数学建模技术来模拟人类肌肉骨骼结构中的各种肌肉和骨骼。肌肉被建模为具有收缩力的元素，而骨骼则是刚性元素。模型中的每个肌肉都根据其大小分配强度，其最大的优势便是由逆动力学分析来确定优化问题的解决方案（Damsgaard等人，2006 ^[9]）。

人体工程学中的“逆动力学问题”^[10]由Eduardo Bayo提出，该方案计算出控制机器人手臂的众多电动机中的每一个必须如何移动以产生特定动作，从而使人类可以执行非常复杂和精确的运动所需要的力矩。即已知在某一时刻人体模型各关节的位置 ，关节速度及关节加速度，然后去反求解在此时此刻施加在人体各肌肉上的力F，以及关节上的力矩T。已有国外团队通过逆动力学仿真，研究出完成一项动作的肌肉贡献与其相应强度之间的比率，即肌肉激活水平，已被用于比较工作状态的可接受性（Pontonnier等人，2014 ^[11]）。

经验统计建模法和肌肉骨骼建模法在进行数字人体建模时存在明显的差异，经验统计模型的可靠性在很大程度上取决于在现实中的不同工作条件和状态下通过经验观察的广度。因此，基于经验统计模型的DHM工具的一个关键问题是，它们如何将经验扩展到日常生活中并不是经常见到的工作场景中。而反观基于肌肉骨骼模型的DHM工具应该能够解释各种工作条件中的多样性，通过这种方式可以建造出人类肌肉骨骼结构的详细和更现实的模型。肌肉骨骼模型的关键方面是肌肉模型的准确性和给定任务中肌肉的正确使用。人体由比执行任务所需的肌肉更多的肌肉组成。因此，基本上该模型正确地模拟由中枢神经系统（CNS）选择的标准，以决定各种肌肉的执行以执行给定任务。

至关重要的是，AMS能够识别有利和不利的力量运动方向，以用于主动人体工程学，以减轻由于过度劳累导致的WMSD风险。简而言之，我们相信使用AMS的模型可以支持对背包场景的优化。其输出，如肌肉激活，关节反作用力和各种工作条件下的关节力矩，可为人体工程学家提供有用的信息。因此本文选择肌肉骨骼建模法对人体背包的过程进行建模及动力学仿真，并对仿真结果进行分析。

1.2 本文主要研究内容

本文主要讨论三种背包方式下的运动学、力学变化的各种特征和差异，结合人机工程学与生物力学以及运动学的相关知识，通过AnyBody Modeling System平台，进行数字人体建模，并进行动力学分析，优化了人机工程系统功效，同时也为提供健康的生活方式提供了理论支持。

具体内容：

1. 由 AnyBody Modeling System软件建立数字人体模型，即用于分析的主体，这里指的是由完整肌肉骨骼构成的人体模型；

2.由其他建模软件建立的环境对象模型，如背包等。很多3D 软件都可使用， 有 SolidWorks、PRO-E、CATIA、Inventor 等工程软件，还有 RHINO、3DS MAX 等造型软件，它们都可以通过STL格式将模型导入Anybody软件；

3.将人体模型与分析对象模型进行组合，并研究在不同运动状态下的人体状况，进行动力学分析；

人体肌肉骨骼的选择及运动参数的设定

完成毕业论文

得到分析结果，并输出数据

总方案拟定

图1.2 技术方案流程图

第2章 建模的基本理论

2.1 Anybody Modeling System介绍

AnyBody Modeling System人体建模仿真系统（以下简称Anybody）是计算机辅助人类工效学和生物力学分析软件，常用于建立人体及环境模型并研究人体之于外界的响应，为人机工程学的发展提供了一个全新的平台。常用于临床医学、生物力学建模仿真、康复医学与工程、骨科产品设计、汽车工业设计、航空航天研究、体育运动与器械设计、工作环境设计等应用领域。作为一款人体建模仿真分析的革命性软件，Anybody将人类工效学由定性的研究转化为定量的研究。AnyBody可以通过其自带的人体肌肉骨骼模型库，或自行导入的肌肉骨骼模型进行模型的建立，用于产品的人机工程学设计，从而大幅提升效率。人和动物的肌肉骨骼系统在机械上非常复杂，通常情况下计算模型必须高度简化才能合理有效。

AnyBody建模系统在奥尔堡大学^[9]发起，是制作这种肌肉骨骼模型的通用建模系统。它旨在实现四个目标：

（1）它应该是一个建模系统，即允许用户从头开始构建模型或使用或修改现有模型以适应不同目的的工具。

（2）系统应促进模型开发上的模型交换和合作，并应允许对模型进行详细检查。

（3）如果可能，它应具有足够的数值效率，以便在廉价的计算机上进行人体工程学设计优化。

（4）系统应能够处理具有实际复杂程度的身体模型，如图1.3所示。

图1.3 基于Anybody的人体肌肉骨骼模型

AnyBody软件由两个应用程序组成，一个是Windows图形用户界面（GUI），另一个是控制台应用程序，从功能性上来说并无区别，但在使用方式上有所不同。控制台应用程序可以从其他程序调用，而GUI应用程序包含更多用于查看模型及其结果的工具，从而为手动模型开发和分析提供了更好的基础。

AnyBody中的建模是通过基于文本的输入完成的。为此，开发了一种名为AnyScript的特殊建模语言。选择基于文本的用户输入有两个原因：（1）从软件开发人员的角度来看，它易于开发和维护;（2）与常用的编程语言有相似之处的同时上手难度小，对用户友好。

AnyScript是Anybody软件专用的一种建模语言，是一种面向对象的语言，易于上手，常用于建立人机工程学模型，特别是肌肉骨骼系统的模型。AnyScript模型大致分为两个主要部分：

（1）模型部分包含机械系统，主体和周围物体的定义，即边界条件。

（2）研究部分包含可在模型上执行的分析列表和其他数据分析操作。

语言的声明性质意味着该语言具有许多预定义的类，用户可以从中创建对象。预定义类包括（1）基本数据类型，例如数字和字符串，（2）机械对象类型，例如机械机构及各种类型的关节，驱动器，力和肌肉，以及（3）操作和模型管理类（如图1.4）。

图1.4 Anyscript常规模型结构

该模型的研究部分允许对模型执行各种操作的规范，例如运动学分析，动力学分析，肌肉校准和系统参数变化。研究可以参考整个模型或模型的子部分。从软件设计的角度来看，作为建模语言中的类的“研究”和“操作”的定义使得建模数据结构与软件的用户界面之间建立了明确的关系。

2.2 逆动力学仿真

Anybody建模系统将逆动力学（Inverse-Dynamic）作为其核心操作之一。在生物力学中，逆动力学通常被用作从步态分析中测量的地面反作用力到各个分析关节中的净力矩。简而言之，逆动力学允许你模拟整个身体在经历复杂运动时的肌肉和关节力，同时考虑到动态惯性力，不一定需要在身体和环境之间的界面上测量力。逆动力学的优点是它可以在几秒钟内分析台式或笔记本电脑上由数百块肌肉组成的非常复杂的肌肉骨骼系统。可以理解为在先知道杆件位姿的情况下，去求得各关节的角度值。

图2.1说明了逆动力学背后的简单原理：

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