【摘要】：肌肉協(xié)同被認為是中樞神經(jīng)系統(tǒng)用以運動控制的最小單位,在理解神經(jīng)系統(tǒng)運動控制策略方面具有重要的研究價值。傳統(tǒng)的肌肉協(xié)同研究方法依賴于反映肌肉激活程度的肌電信號,骨肌仿真技術(shù)的發(fā)展為便捷分析肌肉激活提供了新的方式,本文在骨肌系統(tǒng)中實現(xiàn)肌肉協(xié)同的提取。首先在OpenSim中建立人體下肢骨肌仿真模型,并建立基于Hill肌肉模型的骨肌系統(tǒng)。然后構(gòu)建人體運動測量與仿真分析系統(tǒng),實現(xiàn)人體運動實驗數(shù)據(jù)的采集與處理,以及骨肌系統(tǒng)生物力學分析。本文兼顧生物力學仿真與真實的實驗數(shù)據(jù),以關(guān)節(jié)力矩實驗值和特定肌肉激活度實驗值作為跟蹤目標,提出兩種肌肉協(xié)同提取算法:(1)基于非負矩陣分解的肌肉協(xié)同提取算法,首先最優(yōu)化求解肌肉激活度矩陣,再應用非負矩陣分解求解肌肉協(xié)同結(jié)構(gòu)矩陣和肌肉協(xié)同激活系數(shù)矩陣,由此重構(gòu)肌肉激活度矩陣實現(xiàn)肌肉協(xié)同的控制過程;(2)引入肌肉協(xié)同控制的肌肉激活模型,將最優(yōu)化求解肌肉激活度矩陣轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化求解肌肉協(xié)同結(jié)構(gòu)矩陣和肌肉協(xié)同激活系數(shù)矩陣,在最優(yōu)化迭代過程中實現(xiàn)肌肉協(xié)同對于肌肉激活的控制過程。為比較兩種肌肉協(xié)同提取算法的效果,招募實驗對象進行了步態(tài)實驗,應用兩種算法提取肌肉協(xié)同,結(jié)果表明引入?yún)f(xié)同控制的肌肉激活模型算法優(yōu)于基于非負矩陣分解的肌肉協(xié)同提取算法,其中關(guān)節(jié)力矩和肌肉激活度的均方根誤差分別平均降低62.0%、33.2%,平均絕對誤差分別平均降低63.2%、36.9%,關(guān)節(jié)力矩和肌肉激活度的預測值與實驗值的相關(guān)系數(shù)分別平均提升9.0%、10.1%。應用基于非負矩陣分解的肌肉協(xié)同提取算法,基于重構(gòu)肌肉激活度矩陣的數(shù)據(jù)變異度閾值確定肌肉協(xié)同數(shù)目后,然后應用引入肌肉協(xié)同控制的肌肉激活模型可降低誤差。最后進行人體足底打滑平衡的肌肉協(xié)同控制策略研究,招募實驗對象進行步態(tài)實驗,以正常行走作為對照組,分析足底打滑平衡對于肌肉協(xié)同的影響,結(jié)果表明,與正常行走相比,在足底打滑平衡中肌肉協(xié)同以較高肌肉貢獻度、較高激活強度及較高共激活時長占比的控制策略實現(xiàn)這一應急反應運動過程。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：G804.6
【圖文】：

Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ邋等應用剛?cè)狁詈蟿恿W的方法進行骨肌系統(tǒng)建模，其骨肌系統(tǒng)逡逑動力學模型應用拉格朗日動力學方程，肌肉力模型應用經(jīng)典的Ｈｉｌｌ模型，其研究逡逑成果后來發(fā)展成為商業(yè)化的骨肌系統(tǒng)仿真軟件ＡｎｙＢｏｄｙ＾，如圖１．２所示。王成逡逑燾等利用中國數(shù)字人數(shù)據(jù)集建立了骨肌系統(tǒng)仿真摸型，并開發(fā)了一套中國力學虛逡逑擬人骨肌系統(tǒng)仿真分析軟件｜７，３３］，如圖１．３所示。此外，ＬｉｆｅＭＯＤ邋（ＭＳＣ邋Ｓｏｆｔｗａｒｅ逡逑Ｃｏｒｐ．，ＮｅｗｐｏｒｔＢｅａｃｈ，邋ＣＡ，ＵＳＡ）和ＭＳＭＳ［３４］等軟件也可用于生物力學仿真，由逡逑于這些軟件不能提供完整的源代碼，對于研究者而言在此基礎上擴展功能進行更逡逑深層次的研究比較困難。逡逑■Ｍ邋．邋Ｉｋ邋＊＜Ｖ＊邐＊ＩＭ邐｜逡逑＊邋ｉ邋＇邋Ｕ邐ｈ邋，邐—邋－邋Ｕｍ４邋Ｉｍａ＾邐．逡逑？：，．廠逡逑？邋？邋Ｊｔ邋ｔ－ｗＴ邐、＞邋，．邋？？Ｍ邋＞＊■邋＊邐ｗ邋４邋ｍ逡逑Ｍ邐ｆｒ：邐ｎｓＫｒｒ＇ｗ－．＊邐＇邐＊邋一邋‘邋＂邐’邋一邐…＂邋—邋：ｉ

大學碩士學位論文邐１肌肉協(xié)同理論，神經(jīng)并不單獨控制某一塊肌肉，而是在脊髓層上募集多個成肌肉協(xié)同，處于同一肌肉協(xié)同中的肌肉被同時激活［５，４６１。由于神經(jīng)系統(tǒng)是難以測得的，而骨肌系統(tǒng)的行為是可測的，由骨肌系統(tǒng)行為可表征神經(jīng)為，肌肉協(xié)同理論提供了由骨肌系統(tǒng)的行為解釋神經(jīng)系統(tǒng)控制的思想。神對于骨肌系統(tǒng)的下行指令即表現(xiàn)在肌肉協(xié)同上，通過脊髓回路或反射反映激活上，從而在骨肌系統(tǒng)中形成了力的作用，帶動骨肌系統(tǒng)運動，產(chǎn)生特作，肌肉協(xié)同概念模型如圖〗．４所示［４６］。與單獨控制每塊肌肉相比，使用制信號激活多塊肌肉理論上提供了一個簡化的系統(tǒng)。部分實驗研究結(jié)果支一理論，研究表明在執(zhí)行運動任務時的肌肉激活可以用反映肌肉協(xié)同的低來描述｜５￣４７４９］。逡逑

設置中間點的折線路徑法［７８＿７９］及設置障礙物的曲線路徑法［８Ｑ］。直線路徑法采用逡逑一條從起始點到結(jié)束點的直線線段表示肌肉，是肌肉運動學建模最簡單的方式，逡逑這種方式能夠很容易地描述路徑筒單的肌肉，如圖２．１（ａ）所示，然而當一塊肌肉逡逑的路徑在其他肌肉上、包覆在骨突上或者被韌帶所影響時，這種方式就失效了。逡逑設置中間點的折線路徑法通過引入中間點，解決了從起始點到結(jié)束點的直線與實逡逑際的偏離問題，中間點約束了肌肉在被生理結(jié)構(gòu)影響時的肌肉路徑，如圖２．１（ｂ）逡逑所示，當肌肉模型在起始點和結(jié)束點之間有一個中間點，那么肌肉的路徑由兩部逡逑分構(gòu)成，肌肉的長度為這兩段直線線段長度之和，中間點可設置為多個。設置障逡逑礙物的曲線路徑法引入包覆表面的概念，平滑地偏轉(zhuǎn)直接接觸包覆表面的肌肉路逡逑徑，如圖２．１（ｃ）所示，肌肉的總長度等于肌肉路徑直線段長度與肌肉路徑曲線段逡逑長度之和。逡逑１邋ｊｉ逡逑（ａ）邐（ｂ）邐（ｃ）逡逑圖２．１肌肉仿真建模方法（ａ）直線路徑法（ｂ）設置中間點的折線路徑法（ｃ）設置障礙逡逑物的曲線路徑法逡逑本研究解決人體下肢的生物力學問題

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