Dynamic Modeling of Musculoskeletal Motion pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Yamaguchi, Gary T.

出品人:

页数:276

译者:

出版时间:2005-9

价格:$ 134.47

装帧:

isbn号码:9780387287041

丛书系列:

图书标签:

肌肉骨骼运动
动力学建模
生物力学
运动分析
数学建模
计算机模拟
人体运动学
肌肉骨骼系统
运动控制
生物工程

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具体描述

Dynamic Modeling of Musculoskeletal Motion introduces biomechanists to modern methods of modeling and analyzing dynamic biomechanical systems in three dimensions. Using vector kinematics, the reader is taught a systematic method which significantly reduces the complexity of working with multiple, moving limb segments in three dimensions. Operations which usually require the application of differential calculus are replaced by simple algebraic formulae. To derive dynamical equations of motion, a practical introduction to Kane's Method is given. Kane's Method builds upon the foundation of vector kinematics and represents one of the most exciting theoretical developments of the modern era. Together, these techniques enable biomechanists to decipher and model living systems with great realism, efficiency and accuracy. Interwoven with the theoretical presentation are chapters and examples which highlight the subtle differences between inanimate linkages and the biomechanical systems we seek to understand.

深入探究生物力学与系统工程的交汇：运动模拟的理论与实践一本关于系统生物力学建模与分析的权威著作本书旨在为生物医学工程、运动科学、生物力学以及机械工程领域的专业人士、研究人员和高级学生，提供一套全面、深入且具有高度实践指导意义的理论框架与技术指南，用以理解、模拟和分析复杂的生物运动系统。我们聚焦于构建与应用高保真度的动力学模型，以揭示生物系统（特别是结构复杂的生物力学系统）在静态与动态条件下的行为机制。本书的叙事主线围绕“从结构到功能，从数据到模型，从模型到洞察”的转化过程展开。我们摒弃了对特定肌肉骨骼运动学模型的简单罗列，转而深入探讨构建这些模型的底层数学原理、计算方法以及验证策略。 --- 第一部分：理论基石与建模范式本部分奠定了分析复杂生物力学系统的数学和物理基础。我们首先回顾了经典力学在描述生物体运动中的适用性与局限性，并重点介绍了连续介质力学在处理软组织（如肌腱、韧带、软骨）变形行为中的核心地位。章节亮点包括：非线性本构关系：详细阐述了超弹性材料（如 Mooney-Rivlin、Ogden 模型）在描述生物组织大变形下的应力-应变关系。这对于精确捕捉关节运动中的组织松弛与压缩至关重要。我们提供了详细的有限元方法（FEM）参数敏感性分析，以指导实验数据的拟合。约束优化与广义坐标：运动学系统往往受到复杂的关节几何形状和接触条件的约束。本书深入探讨了拉格朗日乘数法和投影法在处理非完整约束系统中的应用，特别是如何将这些方法融入到多体动力学（Multibody Dynamics, MBD）框架中，以高效求解系统的自由度。随机过程与不确定性量化：真实的生物系统充满不确定性（如组织参数的个体差异、测量误差）。我们引入了卡尔曼滤波（Kalman Filtering）和蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）作为量化和减少模型不确定性的关键工具，确保模型预测的鲁棒性。 --- 第二部分：系统集成与计算实现理论框架的价值在于其有效实现。本部分将重点放在如何将离散的生物组件（如骨骼、肌腱、肌肉力发生器）集成到一个统一的、可求解的动力学模型中，并探讨高性能计算的策略。计算建模的深度剖析：刚柔耦合（Rigid-Flexible Coupling, RFC）：骨骼通常被视为刚体，但对于精细的应力分析（如应力集中区域），其弹性变形不可忽略。本章详细介绍了如何使用模态叠加法（Modal Superposition）将柔性体（如长骨的有限元模型）的低阶模态信息嵌入到刚体动力学框架中，实现高效的刚柔耦合仿真。复杂接触建模：关节接触是运动学中的核心非线性问题。我们对比了罚函数法（Penalty Method）、增广拉格朗日法（Augmented Lagrangian Method）以及基于互补问题（Complementarity Problems）的接触求解器。特别地，对于滑移和粘滞接触的区分和建模，提供了明确的算法流程。驱动力矩的逆动力学推导：运动学分析需要知道作用在关节上的力矩。本书详述了基于模型的逆动力学（Model-Based Inverse Dynamics）流程，强调了如何处理由冗余驱动系统（如多块肌肉协同作用）引起的力矩分配问题，采用了二次规划（Quadratic Programming, QP）方法来寻找符合生理学约束（如肌肉张力非负性）的最优力矩解。 --- 第三部分：模型验证、校准与高级应用一个成功的动力学模型必须能够与实验数据进行可靠的比较和迭代优化。本部分关注模型的“落地”与前沿应用。模型-实验的桥梁：实验数据融合与模型校准：讨论了如何利用体外（in vitro）的力学测试数据（如拉伸试验）来校准本构模型参数，以及如何利用体内（in vivo）的运动捕捉数据（Kinematics）和肌电信号（EMG）来校准肌肉的力学参数（如最大收缩速度、力量-长度关系）。重点介绍了遗传算法（Genetic Algorithms）和梯度下降法在多目标模型校准中的集成应用。参数化建模与群体分析：为了从个体模型推广到群体行为，本书探讨了形状空间（Shape Space）和形态学参数化技术，允许模型能够根据不同的解剖输入（如MRI或CT数据）快速生成具有个体差异的动力学模型。前沿应用：简要介绍了高级模型在人工关节设计优化中的反馈机制，以及在康复机器人控制中作为高精度前馈控制器的集成潜力，关注模型对外部扰动和内部状态变化的实时响应能力。 --- 总结本书不仅仅是一本关于如何“建立”运动模型的指南，更是一部关于如何“思考”和“验证”复杂生物力学系统的技术手册。它要求读者具备扎实的微积分、线性代数以及基础控制理论的知识，旨在培养新一代能够熟练运用先进计算工具解决实际生物运动学难题的研究生和工程师。全书配有大量的算法伪代码和案例分析，确保理论深度与工程实用的完美结合。