【摘要】：修復和增強人體運動能力是研究外骨骼機器人的主要目標。外骨骼與人體運動的協(xié)調(diào)程度是影響穿戴舒適感、負重能力、運動靈活性、代謝能消耗乃至人體運動康復效果等人機耦合作用的關鍵因素;不良的人機耦合協(xié)調(diào)性將導致運動干涉甚至損傷人體。當前,外骨骼系統(tǒng)往往從傳統(tǒng)的機器人理論出發(fā)進行設計與控制;由于缺乏對人體肌骨系統(tǒng)可變形、可儲能、順應性等特性的認識,其剛性的設計無可避免對穿戴者的運動帶來干涉,導致其無法實現(xiàn)預期的功能。針對這些問題,本文以人體下肢肌肉(股四頭肌肌群)作為研究對象,建立了下肢肌肉力學模型,旨在通過捕捉運動過程中的肌肉力學特性,為設計人機協(xié)調(diào)的外骨骼機器人提供新思路和新方法。本文的主要研究內(nèi)容包括:骨骼肌肉是肢體關節(jié)的運動約束和動力來源,本文通過研究膝關節(jié)運動反演骨骼肌肉力學模型。參考人體肌肉生理解剖學與Hill肌肉模型,本文建立了股四頭肌肌群力學模型;并以下肢運動作為載體、膝關節(jié)的轉(zhuǎn)角為變量構建下肢運動的動力學集中參數(shù)模型;結(jié)合人體測量學、膝關節(jié)解剖學以及數(shù)字圖像處理等手段,完成常量參數(shù)的確定。針對股四頭肌群等效質(zhì)量、等效剛度、等效阻尼參數(shù)的分析與求解,本文基于下肢動力學模型設計了階躍響應實驗。對比不同負載下下肢自由釋放過程中膝關節(jié)角度的動態(tài)響應,驗證所建立模型的可行性和準確性。將對系統(tǒng)非線性的數(shù)值仿真與實驗相結(jié)合,完成集中參數(shù)系統(tǒng)的歸一化剛度、阻尼的辨識,進而反算四頭肌群力學模型參數(shù)。本文提出了肌肉能耗的評估計算方法并實現(xiàn)了肌肉神經(jīng)響應遲滯的評估。通過設計直線行走實驗,本文將能耗評估方法計算的能耗與肌肉代謝消耗的肌氧飽和度的進行對比,驗證了方法的合理性;并通過設計下肢脈沖響應實驗,分析了神經(jīng)激勵與肌肉力生成之間的延遲特性,并量化估計其數(shù)值。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP242
【圖文】：

c) 3D 肌肉模型 圖 1-2 常見的J. Duchateau 對人體拇收肌分別進行等肌肉力學特性分影響，發(fā)現(xiàn)肌肉的收縮Muramatsu 等對人體活體內(nèi)側(cè)腓腸肌肌腱納了肌腱與腱膜的最大應變水平，并發(fā)現(xiàn)系[25]。G.A.Lichtwark 等對人行走以及跑步角度的變化，發(fā)現(xiàn)在運動的過程中腓腸肌狀肌遠端的肌束長度縮短更多，行走時，各跑狀態(tài)下肌束的長度均縮短，反映了彈性束可以調(diào)節(jié)收縮速度以提供與最大輸出功等通過超聲剪切成像手段，用肌肉的剪切系對內(nèi)側(cè)腓腸肌肌腹的被動彈性屬性進行

c) Vicon 運動捕捉系統(tǒng) d) MRI 核磁共振成像圖 1-3 常見的肌肉特性測量方式運動功能現(xiàn)象與病理運動功能現(xiàn)象，包括肌肉疲勞、保護受損以及動作分類的肌電信號的電壓通常僅僅為幾毫伏，很容易被相鄰的肌肉電信號、采集系環(huán)境的電磁輻射所干擾；同時，其測量受到傳感器張貼位置、皮膚表面環(huán)境，故對其進行量化分析肌肉力學特性還是存在很大的缺陷[45, 46]。肌肉力學特性的應用探明肌肉力學特性不僅在生理學上有深遠的意義，對于精確地預測和測量肌的能耗以及作用力也有很大的意義。代光輝等依據(jù)肌肉力學三元素模型并參數(shù)進行分析，通過實驗建立模型的動力學方程，設計了具有一定程度上肌性的氣缸型人工肌肉[47]；Herr 和 Dennis 基于肌肉的功能性能，利用青蛙半，結(jié)合開環(huán)刺激控制設計制造了一個游泳機器人[48]，其可以完成基本的游如啟動、停止、轉(zhuǎn)彎和直線游泳，如圖 1-4a)所示。ChengguangYang 等通過

圖 4-1 下肢自由釋放實驗場景布置實驗步驟實驗開始前，實驗對象完成黑色緊身褲、配套鞋的穿戴以及熒光條的粘貼，肢肌肉的狀態(tài)與人行走時的狀態(tài)盡量接近，以躺姿躺于實驗臺上；調(diào)節(jié)三腳機光軸與矢狀面（小腿運動發(fā)生平面）保持垂直。打印相機標定棋盤格，并在憑證表面，移動標定板，拍攝標定板在 12 個位置、方向的照片，用于對視頻的標定。實驗步驟：a. 被試者保持下肢完全放松狀態(tài)，輔助者 A 幫助控制被試小腿，將其置于高度，輔助者 B 開啟相機采集相關影像，A 釋放小腿；b. 于同一高度重復步驟 a；c. 改變高度（每次實驗腳后跟高度遞減 5cm），重復步驟 ab；d. 于小腿近端 23.5cm 處分別依次添加配重 0kg、0.5kg、1.0kg 并重復步驟

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 王志堅;;肌肉收縮力與收縮速度關系研究[J];中國醫(yī)學物理學雜志;2011年03期

2 潘慧炬;;肌肉力學特性研究進展及其若干問題[J];體育科學;2003年03期

相關博士學位論文 前1條

1 魏高峰;人體骨肌系統(tǒng)的整體生物力學建模與仿真分析研究[D];上海交通大學;2010年

本文編號：2768835