生物力学作为一门交叉学科，应用经典的力学理论分析生理体系中的力学问题，帮助我们增进对生物体这一复杂体的认识。而运动生物力学作为生物力学的重要分支，将研究对象确定为人体，即利用力学原理来分析人体运动及其规律。人体运动是由神经系统控制，骨骼和肌肉系统协同作用而共同完成的结果。结合生物力学原理，利用合适的生物力学平台建立人体骨骼肌肉系统的数学模型，并通过充分验证的生物力学模型研究分析人体运动的规律，是运动生物力学研究领域的重要内容。 人体运动是一个非常复杂的过程，和运动模式相对固定的下肢相比，上肢运动尤为复杂，特别是肩部。因此，目前下肢骨骼肌肉模型的研究和应用已经比较成熟，而上肢的骨骼肌肉模型研究还处于初级阶段。通常，研究者将肩部运动简化为大臂绕躯干的运动，而忽略了锁骨和肩胛骨的运动，这极大限制了上肢骨骼肌肉模型的应用范围。同时，广泛应用于骨骼肌肉模型中的Hill肌肉模型，是在最大激活模式的实验条件下建立的，在非最大激活模式中计算的肌肉力误差很大，而人体日常活动中的肌肉很难被完全激活，因此需要对Hill肌肉模型进行一定的改进，以提高整体骨骼肌肉模型的准确性。 本文研究课题来源于国家自然科学基金重点项目“人体运动生物力学测量、分析和模拟”，主要研究内容为人体运动生物力学分析和模拟两部分，并将研究重点放在了人体上肢骨肌系统的建模和运动模拟上，主要的研究工作和创新之处如下: 利用开源的生物力学平台OpenSim为上肢骨肌系统建立了一个完整的骨骼肌肉模型。该模型包含肩部和肘部的所有骨骼和肌肉，并将肩关节细分为胸锁关节、肩锁关节和盂肱关节。因此，该模型可以模拟锁骨和肩胛骨的运动，从而更好地仿真人体上肢的运动，更全面地分析上肢肌肉的功能。该模型中的骨骼和关节坐标系统定义完全遵守国际生物力学协会ISB(International Society of Biomechanics)的标准化和专业术语委员会的定义。 提出了一个适用于非最大激活模式下的肌肉肌腱单元收缩模型AFLC(Activation-Force-Length Coupling)。Hill肌肉模型被广泛应用于人体骨骼肌肉的建模中，但在应用于非最大激活情况时，肌肉力计算的准确性明显下降，一部分原因是没有考虑肌肉激活与肌肉属性之间的耦合。因此，AFLC模型将肌肉激活和肌肉力-长度属性之间的耦合关系融入到了传统的Hill肌肉模型中。通过肌肉肌腱单元模型的基准实验对AFLC模型进行检验，验证其有效提高了肌肉力估计的准确性。 应用上肢骨骼肌肉模型对棒球投掷动作进行生物力学分析。棒球投掷动作属于过头投掷动作，根据“肩肱节律”，当大臂抬起超过90°时，肩胛骨旋转所占的比例更大，同时，棒球投手的肩胛骨活动范围也与正常人不同，因此需要使用肩胛骨可以单独控制的骨骼肌肉模型。本文通过对8名投手的24次投掷动作数据进行平均，得到一次典型的投掷动作，并将研究重点放在手臂加速和减速阶段，利用上肢骨骼肌肉模型分析上肢主要肌群的发力情况和功能作用，为制定科学的训练计划提供依据。
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