具有生理学特性的高精度人体肌肉疲劳建模及其在手臂屈伸运动中的应用研究

论文摘要

从肌肉的生理学角度建立肌肉疲劳模型是了解肌肉生物力学特征的重要手段,是提高人体运动模拟逼真度的有效方法。本文从钙离子的传导出发,建立了基于人体生理学特点的自适应肌肉疲劳模型,并将其运用于手臂屈伸运动模型,间接验证了该模型符合人体生理特点。该肌肉模型继承和发展了传统肌肉模型的各种优点,综合考虑了肌肉的生理横截面积、肌肉长度、收缩速度、神经元刺激以及肌钙蛋白浓度对肌肉疲劳力学特性的影响。在模型中,我们还改变了传统上把肌肉分为三种运动单位的方式,首次提出了自适应的肌肉运动单位,肌纤维的力学特性随着神经元刺激的不同而发生改变,符合人体肌肉的生理学特性,而且有效的解决传统多运动单位肌肉模型中运动单位募集排序复杂的问题。为了验证自适应肌肉疲劳模型的正确性与合理性,论文还将该模型应用于人体手臂建模,建立了人体手臂的静力学模型和动力学模型。在手臂模型中考虑了几块主要肌肉的肌力臂随肘关节运动的变化情况,并运用优化方法,将外部载荷在各肌肉间进行优化分配,解决了肌肉冗余问题。通过对手臂模型进行仿真分析,得到了手臂在非疲劳状态下肘部输出力矩的强度曲线以及在不同的外部载荷下的疲劳特性,并用实验测量的方法测试了人体手臂在等长收缩和等速运动下肌肉的疲劳力学特性,将理论模型结果与实验测量数据比较,验证了理论模型符合人体生理学特性。论文主要从强度曲线(最大关节力矩)、等长等速运动收缩的最大维持时间以及男女肌肉不同的力学特性等方面进行比较。结果表明,各项理论预测结果与实验结果都非常接近。论文得到以下四个主要结果:(1)不管在静力学还是在动力学状态下,屈肘的关节力矩都是随着肘关节角度变化而变化的,关节力矩在70°左右最大,在两端较小;(2)最大维持时间(MET)随着最大自主收缩百分比(%MVC)的增加而减小,当%MVC大于30%时,%MVC与MET之间的关系近似线性关系;当%MVC小于30%时,两者则出现指数非线性关系;(3)屈肘力矩总体上比伸肘力矩要大,最大的屈肘力矩为最大的伸肘力矩的1.7倍;(4)男性的关节力矩是女性的两倍左右,而女性的抗疲劳程度比男性强;男女肌肉在抗疲劳特性上的差别随着外部相对载荷的减小越来越明显。论文的研究结果表明,肌肉疲劳预测模型和手臂模型不仅能够客观的反映人体肌肉与手臂的静态、动态以及疲劳等力学特征,而且能够准确的描述男女之间肌肉不同的生物力学特性,具有很强的科学价值和应用价值,可为进一步研究人体骨骼肌肉的力学特征提供有效的工具。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究的意义及目的
• 1.3 当前国内外的研究状况
• 1.3.1 肌肉模型
• 1.3.2 人体肌肉形态指标
• 1.3.3 人体手臂模型
• 1.4 肌肉模型及手臂动力学模型存在的问题
• 1.5 本文的研究内容及论文结构
• 第二章 无疲劳的手臂模型及其运动控制
• 2.1 人体手臂结构介绍
• 2.1.1 手臂骨骼结构
• 2.1.2 手臂骨骼的生理数据
• 2.1.3 手臂肌肉结构
• 2.2 手臂肌肉骨骼的生物力学模型
• 2.2.1 骨骼动力学模型
• 2.2.2 神经肌肉模型
• 2.2.3 关节几何关系
• 2.3 手臂运动控制模型
• 2.3.1 前向动力学
• 2.3.2 前向运动学
• 2.3.3 运动控制过程
• 2.4 人工神经网络模型
• 2.4.1 人工神经网络介绍
• 2.4.2 人工神经网络结构
• 2.4.3 人工神经网络训练
• 2.5 仿真实验结果
• 2.5.1 实验结果
• 2.5.2 实验结果讨论与分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 人体肌肉疲劳模型
• 3.1 人体骨骼肌的主要特性
• 3.1.1 肌肉的结构
• 3.1.2 肌肉收缩过程
• 3.1.3 肌肉收缩的分类
• 3.2 肌肉无疲劳模型
• 3.2.1 肌肉张力-速度关系
• 3.2.2 肌肉张力-长度关系
• 3.2.3 肌肉张力-长度-速度关系
• 3.2.4 肌肉神经刺激与力输出的关系
• 3.2.5 肌肉模型
• 3.3 传统的肌肉疲劳模型（Wexler-Ding肌肉模型）
• 3.3.1 肌浆网和肌浆内钙离子的流动方程
• 3.3.2 钙离子和肌钙蛋白的结合分解方程
• 3.3.3 肌肉收缩的力的方程
• 3.3.4 肌肉的疲劳方程
• 3.4 自适应的肌肉疲劳模型
• 3.4.1 运动单位特性分析
• 3.4.2 肌纤维的募集原则
• 3.4.3 肌肉模型结构及其运用
• 3.5 替代疲劳方程的神经网络模型
• 3.5.1 BP人工神经网络结构
• 3.5.2 训练样本以及网络训练方法
• 3.6 结果分析
• 3.6.1 肌肉抽搐特性
• 3.6.2 无疲劳的力输出结果
• 3.6.3 疲劳的力输出结果
• 3.7 本章小结
• 第四章 具有生理学特性的肘部静动力学模型仿真
• 4.1 人手肘部主要肌肉及其力臂
• 4.1.1 肘部主要肌肉
• 4.1.2 肘部肌肉的主要生理参数
• 4.1.3 肘部主要肌肉的肌力线和力臂
• 4.2 手臂承载的生物力学模型
• 4.2.1 手臂静力学模型
• 4.2.2 手臂动力学模型
• 4.3 外部载荷优化分配方法
• 4.4 静力学仿真结果分析
• 4.4.1 非疲劳结果-强度曲线
• 4.4.2 疲劳仿真结果-最大时间与载荷关系
• 4.5 动力学仿真结果分析
• 4.5.1 非疲劳结果分析-力矩输出情况
• 4.5.2 疲劳结果分析-最大时间与载荷关系
• 4.6 男女肌肉不同特性比较
• 4.7 本章小结
• 第五章 手臂的静动力学实验与结果分析
• 5.1 等速运动及实验仪器介绍
• 5.1.1 等速运动
• 5.1.2 实验仪器
• 5.2 实验对象和方法
• 5.2.1 实验对象
• 5.2.2 实验的准备工作
• 5.2.3 等长测试-强度曲线测试
• 5.2.4 肌肉疲劳-最大持续时间测试
• 5.3 结果比较与分析
• 5.3.1 强度曲线比较
• 5.3.2 最大持续时间与外加载荷关系比较
• 5.3.3 等速运动的输出力矩比较
• 5.3.4 男女肌肉力学特性比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 论文完成的主要工作
• 6.2 本文的主要创新点及贡献
• 6.3 课题研究的前景展望及今后的研究方向
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的论文
• 致谢
• 附录