运动过程中人体下肢肌肉力学特性测量与分析

发布时间：2020-07-24 12:22

【摘要】：修复和增强人体运动能力是研究外骨骼机器人的主要目标。外骨骼与人体运动的协调程度是影响穿戴舒适感、负重能力、运动灵活性、代谢能消耗乃至人体运动康复效果等人机耦合作用的关键因素;不良的人机耦合协调性将导致运动干涉甚至损伤人体。当前,外骨骼系统往往从传统的机器人理论出发进行设计与控制;由于缺乏对人体肌骨系统可变形、可储能、顺应性等特性的认识,其刚性的设计无可避免对穿戴者的运动带来干涉,导致其无法实现预期的功能。针对这些问题,本文以人体下肢肌肉(股四头肌肌群)作为研究对象,建立了下肢肌肉力学模型,旨在通过捕捉运动过程中的肌肉力学特性,为设计人机协调的外骨骼机器人提供新思路和新方法。本文的主要研究内容包括:骨骼肌肉是肢体关节的运动约束和动力来源,本文通过研究膝关节运动反演骨骼肌肉力学模型。参考人体肌肉生理解剖学与Hill肌肉模型,本文建立了股四头肌肌群力学模型;并以下肢运动作为载体、膝关节的转角为变量构建下肢运动的动力学集中参数模型;结合人体测量学、膝关节解剖学以及数字图像处理等手段,完成常量参数的确定。针对股四头肌群等效质量、等效刚度、等效阻尼参数的分析与求解,本文基于下肢动力学模型设计了阶跃响应实验。对比不同负载下下肢自由释放过程中膝关节角度的动态响应,验证所建立模型的可行性和准确性。将对系统非线性的数值仿真与实验相结合,完成集中参数系统的归一化刚度、阻尼的辨识,进而反算四头肌群力学模型参数。本文提出了肌肉能耗的评估计算方法并实现了肌肉神经响应迟滞的评估。通过设计直线行走实验,本文将能耗评估方法计算的能耗与肌肉代谢消耗的肌氧饱和度的进行对比,验证了方法的合理性;并通过设计下肢脉冲响应实验,分析了神经激励与肌肉力生成之间的延迟特性,并量化估计其数值。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：

腓肠肌,肌腱,肌肉力学,拇收肌

c) 3D 肌肉模型图 1-2 常见的J. Duchateau 对人体拇收肌分别进行等肌肉力学特性分影响，发现肌肉的收缩Muramatsu 等对人体活体内侧腓肠肌肌腱纳了肌腱与腱膜的最大应变水平，并发现系[25]。G.A.Lichtwark 等对人行走以及跑步角度的变化，发现在运动的过程中腓肠肌状肌远端的肌束长度缩短更多，行走时，各跑状态下肌束的长度均缩短，反映了弹性束可以调节收缩速度以提供与最大输出功等通过超声剪切成像手段，用肌肉的剪切系对内侧腓肠肌肌腹的被动弹性属性进行

特性测量,肌肉,方式,肌肉力学

c) Vicon 运动捕捉系统 d) MRI 核磁共振成像图 1-3 常见的肌肉特性测量方式运动功能现象与病理运动功能现象，包括肌肉疲劳、保护受损以及动作分类的肌电信号的电压通常仅仅为几毫伏，很容易被相邻的肌肉电信号、采集系环境的电磁辐射所干扰；同时，其测量受到传感器张贴位置、皮肤表面环境，故对其进行量化分析肌肉力学特性还是存在很大的缺陷[45, 46]。肌肉力学特性的应用探明肌肉力学特性不仅在生理学上有深远的意义，对于精确地预测和测量肌的能耗以及作用力也有很大的意义。代光辉等依据肌肉力学三元素模型并参数进行分析，通过实验建立模型的动力学方程，设计了具有一定程度上肌性的气缸型人工肌肉[47]；Herr 和 Dennis 基于肌肉的功能性能，利用青蛙半，结合开环刺激控制设计制造了一个游泳机器人[48]，其可以完成基本的游如启动、停止、转弯和直线游泳，如图 1-4a)所示。ChengguangYang 等通过

自由释放,实验场,下肢,小腿

图 4-1 下肢自由释放实验场景布置实验步骤实验开始前，实验对象完成黑色紧身裤、配套鞋的穿戴以及荧光条的粘贴，肢肌肉的状态与人行走时的状态尽量接近，以躺姿躺于实验台上；调节三脚机光轴与矢状面（小腿运动发生平面）保持垂直。打印相机标定棋盘格，并在凭证表面，移动标定板，拍摄标定板在 12 个位置、方向的照片，用于对视频的标定。实验步骤：a. 被试者保持下肢完全放松状态，辅助者 A 帮助控制被试小腿，将其置于高度，辅助者 B 开启相机采集相关影像，A 释放小腿；b. 于同一高度重复步骤 a；c. 改变高度（每次实验脚后跟高度递减 5cm），重复步骤 ab；d. 于小腿近端 23.5cm 处分别依次添加配重 0kg、0.5kg、1.0kg 并重复步骤

【参考文献】