人体肌肉骨骼多体系统的正逆向耦合动力学建模方法

作     者：王心悦 郭建峤 田强 Xinyue Wang;Jianqiao Guo;Qiang Tian

作者机构：MOE Key Laboratory of Dynamics and Control of Flight VehicleSchool of Aerospace EngineeringBeijing Institute of TechnologyBeijing100081China 

出 版 物：《Acta Mechanica Sinica》 (力学学报（英文版）)

年 卷 期：2022年第38卷第11期

页      面：101-114页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080101[工学-一般力学与力学基础] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：the National Natural Science Foundations of China(Grant Nos.12102035 and 12125201) the China Postdoctoral Science Foundation(Grant No.2020TQ0042) the Beijing Natural Science Foundation(Grant No.L212008). 

主　　题：深度神经网络 关节力矩 动作捕捉 静态优化 逆动力学 正向动力学 多体系统 表面肌电 

摘      要：人体步态的肌骨系统多体动力学建模已被证实在探讨肌骨系统损伤的病理机制等方面具有重要意义.然而,传统的逆动力学分析方法需输入外力传感器测量数据,无法兼顾骨骼肌的非线性动力学特征.此外,正向动力学方法往往计算量很大,仅能够应用在相对简单的分析工况中.本文提出了一种肌骨系统仿真方法,实现无力台条件下的足-地面力估计,并在肌肉力计算中兼顾肌腱弹性与优化控制策略.我们结合基于红外相机的贴点动作捕捉与基于深度神经网络的无标记动作捕捉系统,实现对受试者下肢运动的同步测量.足-地面相互作用力通过一类软物质接触力模型求得,接触参数通过两步优化方法辨识得到.肌肉发力模式首先通过静态优化算法求解,得到的肌肉激活度作为后续正逆向耦合仿真的初值.进一步,我们采用一种力矩跟踪方法,通过调整肌肉激活度,使基于肌肉-肌腱内力平衡方程求得的关节力矩与逆动力学解算得到的关节力矩间误差最小.为验证本文提出的计算方法的正确性,将仿真求得的肌肉激活度与一名健康受试者实测表面肌电进行比较.本文提出的仿真方法为人体关节力矩、肌肉-肌腱内力、以及肌肉激活模式提出了一种可靠的求解方法,能够增进对健康人与患者步态生物力学的理解.