為準確、快速地研究人體下肢運動規(guī)律,構建人體下肢模型。針對該模型推導出了人體步行狀態(tài)下腓腸肌相應的力學方程F₁（t）。利用OpenSim搭建人體骨骼肌肉模型,并以腓腸肌進行靜態(tài)力學分析為例,解析了肌肉在逆向運動學（IK）和殘差縮減（RRA）兩種不同分析方法中的肌肉激活度和力矩。研究結果表明:此模型能準確地模擬人體下肢肌肉的運動規(guī)律,利用RRA分析能夠真實反映腓腸肌的受力情況,分析出肌肉激活度,為進一步揭示膝關節(jié)和踝關節(jié)的生物力學特性和為設計人體下肢康復機器人提供肌肉阻尼奠定基礎。 

【文章來源】：科學技術與工程. 2020,20(07)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

CMC最小執(zhí)行力

人體的膝關節(jié)和踝關節(jié)與小腿部肌肉有著復雜的肌骨結構,涉及肌肉、韌帶、骨骼、神經(jīng)和血管等,是一個復雜的神經(jīng)運動系統(tǒng)。人體通過前庭、視覺、感受和觸覺的綜合分析處理,控制著肌肉完成身體運動的平衡[5]。因此,在研究人體行走過程中下肢的受力狀態(tài),不僅要考慮足底受力和其他質(zhì)量,還要考慮關節(jié)肌肉的受力[10-11]。人體站立、行走和慢跑等保持身體平衡的運動小腿部分主要是通過腓腸肌、比目魚肌和脛骨前肌之間的相互調(diào)節(jié)作用來實現(xiàn)的,如圖1人體下肢骨骼-肌肉模型。腓腸肌的作用是曲踝關節(jié)和曲膝關節(jié),于皮膚表面,其深方是比目魚肌。比目魚肌起于脛骨和腓骨頭部,尾下為跟腱,止于跟底,受脛神經(jīng)支配。在運動過程中,腓腸肌和比目魚肌作為一體,維持身體運動過程中小腿部肌肉的肌力,在站姿或膝關節(jié)伸直、蹬足時發(fā)力的作用。脛骨前肌主要參與膝關節(jié)和踝關節(jié)的背曲運動,與腓腸肌和比目魚肌協(xié)調(diào)作用,維持人體平衡。

將人體的下肢運動受力模型簡化基于圖2骨骼-肌肉模型簡圖,該模型適用于腿部骨骼-肌肉近似的平面運動,上肢同時保持近似垂直的狀態(tài)。其中人體上半身簡化為固定在臀部的質(zhì)量塊;大腿、小腿和腳簡化為3個連桿,髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)簡化為鉸接點;右腿肌肉簡化為2對作用在連桿兩端的相對作用力,分布于大腿和小腿兩側。由于肌肉運動的非線性,希爾模型[12-13]包含主動收縮單元(CE)和被動彈簧單元(SE)表示的肌肉模型,用非線性彈簧表示肌腱,如圖3所示。lMT為肌肉-肌腱長度,lT為肌腱長度,lM 為標準化的肌纖維長度,α為羽狀角,它們之間存在lMT=lT+lMcosα的關系。肌纖維收縮產(chǎn)生的拉力通過肌腱傳遞給所附著的骨骼,引起關節(jié)運動,力量的傳遞與α有直接關系,α越小傳遞越明顯,反之亦然;但是,一些主要肌肉為羽狀肌,主因在于相同體積羽狀肌的生理橫截面積更大[14]。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于OpenSim的腰部肌骨系統(tǒng)在體前屈狀態(tài)下生物力學分析[J]. 詹曉彤,陳強,李志勇.  醫(yī)用生物力學. 2019(01)
[2]基于肌肉反射控制的人體直立抗擾仿真研究[J]. 向馗,邱悅,龐牧野,周申培.  華中科技大學學報(自然科學版). 2018(12)
[3]不同足部軌跡對人體下肢主要肌肉疲勞程度影響的研究[J]. 張愛光,項忠霞,金騰,趙明.  機械科學與技術. 2016(05)
[4]基于軟件OpenSim的人體運動建模理論及其應用領域概述[J]. 宋和勝,錢競光,唐瀟.  醫(yī)用生物力學. 2015(04)
[5]行走過程中人體下肢受力模型的建立與驗證[J]. 張軍,李建喜,夏鈺坤,何旺驍,王麗娟.  西安交通大學學報. 2015(09)
[6]人體下肢動力學建模與仿真研究現(xiàn)狀[J]. 王建輝,徐秀林.  中國康復理論與實踐. 2012(08)

博士論文
[1]人體下肢肌肉功能模型及其應用的研究[D]. 單大卯.上海體育學院 2003

碩士論文
[1]人體下肢運動力學分析與建模[D]. 洪曉明.杭州電子科技大學 2009
[2]人體髖關節(jié)運動生物力學模型研究[D]. 孫廣艷.大連理工大學 2006



本文編號：3324033