逆向动力学分析简介

在动力学中，如果已知物体的结构性质和驱动力，根据牛顿定律计算物体在驱动力下的运动情况，被称为正向求解。反之，如果已知物体的结构性质和运动情况，来求在运动过程中驱动力的大小和方向，则被称为逆向求解，或者反求。基于反求的动力学被称为逆向动力学分析。在运动生物力学中，逆向动力学分析被用来指根据人体的运动模式或者附加环境对人体的作用力，来求解人体的肌肉力作用。逆向动力学和正向动力学的基本区别在于，在逆向动力学中，模型有确定的运动，而正向动力学模型需要解决优化控制的问题才能产生特定的运动。

通过逆向动力学分析来求解人体肌肉力作用，在运动生物力学中非常有用。因为在运动训练、竞赛、损伤发生与预防中，肌肉力的作用至关重要，但是肌肉力的确定在运动生物力学实验中或者实际训练中非常困难，甚至不可能。而通过牛顿力学和肌肉协同规律来对特定动作进行计算分析，反求肌肉力的作用是一种非常有效的手段。

在运动生物力学研究中，肌骨模型需要符合解剖结构的肌肉几何特征和肌肉配合作用机制。肌肉与肌肉本身之间，与软组织、骨头、肌腱与其他解剖元素之间互相错综交叠，合理地建立这些模型的几何位置特征非常重要。同时，肌肉由中枢神经系统控制，然而对肌骨模型的具体控制机理的认识还不完全清楚。因此，肌骨模型的计算是基于假设进行的，需要一些优化算法的支撑。根本问题在于肌肉数目大于所需要的驱动模型的自由度的数目，这说明满足动力学要求的肌肉力求解可以有无限个解。这种问题通常被称为“肌肉冗余问题”。

人体肌骨模型系统非常复杂，模型需要高度简化才能有效计算。通常，将肌骨系统简化为刚体系统，使用标准的多刚体动力学方法可对模型进行仿真模拟。即便如此，传统的手动计算也难以解决如此庞大的计算量问题，而计算机技术的发展则为我们提供了良好的手段，我们可以从动力学和运动学实验测量数据求解人体各关节受力和肌肉作用力。