【摘要】：肌力在生物力學(xué)領(lǐng)域的研究中應(yīng)用廣泛,肌力的大小能夠?yàn)橹酗L(fēng)康復(fù)評(píng)估、機(jī)器人控制和仿生關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。同時(shí),現(xiàn)階段人體運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)的方法主要為半定量評(píng)價(jià),即醫(yī)師使用簡(jiǎn)單的器械根據(jù)現(xiàn)有的評(píng)價(jià)量表,僅從關(guān)節(jié)活動(dòng)程度及肌肉狀態(tài)來(lái)整體評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)功能。肌力作為人體運(yùn)動(dòng)的能源,基于肌力的大小能夠準(zhǔn)確的量化評(píng)估肢體的運(yùn)動(dòng)功能情況。但是,肌力大小無(wú)法通過(guò)直接測(cè)量手段獲取,因此,對(duì)肌力預(yù)測(cè)方法的研究在人體動(dòng)力學(xué)分析、康復(fù)訓(xùn)練和運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)等方面都有著十分重要的意義。由于肌電信號(hào)能夠反映出肌肉的激活程度,其特征幅值也與肌力的大小密切相關(guān),而關(guān)節(jié)角度能夠反映出肌肉收縮狀態(tài),同時(shí),基于人體生理結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建的肌肉骨骼模型能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出運(yùn)動(dòng)過(guò)程中單塊肌肉的肌力。因此本文提出基于肌電信號(hào)、關(guān)節(jié)角度及肌力構(gòu)建模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)肌力預(yù)測(cè)模型,并將該肌力預(yù)測(cè)方法應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)功能的量化評(píng)價(jià)。具體工作如下:首先,通過(guò)對(duì)Hill肌肉模型及其肌力計(jì)算方法的研究,提出將肌電信號(hào)、關(guān)節(jié)角度及肌骨模型模擬的肌力相結(jié)合構(gòu)建肌力預(yù)測(cè)模型。并通過(guò)與傳統(tǒng)肌力預(yù)測(cè)方法的比較,分析該方法對(duì)于提升肌力預(yù)測(cè)效果的可行性。其次,為獲取用于建立肌力預(yù)測(cè)模型的肌力樣本數(shù)據(jù),將人體上肢肘關(guān)節(jié)作為主要研究對(duì)象,基于OpenSim人體運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)建立上肢肌骨模型。通過(guò)肢體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型模擬關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而獲取運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的肌力大小情況。再次,提出一種基于可變滑動(dòng)窗的廣義動(dòng)態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Generalized Dynamic Fuzzy Neural Network,GD-FNN)學(xué)習(xí)算法,并基于該網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建肌力預(yù)測(cè)模型。通過(guò)肌電信號(hào)時(shí)域特征與肌力的相關(guān)性分析,選取合適特征作為模型的訓(xùn)練樣本,將人體肌骨模型的運(yùn)動(dòng)仿真肌力作為預(yù)測(cè)模型的期望輸出。通過(guò)受試者上肢肘關(guān)節(jié)屈伸實(shí)驗(yàn),從預(yù)測(cè)誤差的角度驗(yàn)證該肌力預(yù)測(cè)方法及學(xué)習(xí)算法的有效性。最后,針對(duì)現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)方法的不足,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于肌力預(yù)測(cè)模型的上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)系統(tǒng)。同步采集肘關(guān)節(jié)屈伸動(dòng)作下的肌肉表面肌電和關(guān)節(jié)角度信息,基于運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)策略,實(shí)現(xiàn)對(duì)受試者關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能的客觀、定量、有效的評(píng)價(jià)。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：R318.01;TN911.6
【圖文】：

圖 1-1 上肢肌肉骨骼模型[20]著人體解剖學(xué)技術(shù)及計(jì)算機(jī)建模技術(shù)的快速發(fā)展，專家們開始研究利用計(jì)體的肌肉骨骼建立模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)力學(xué)仿真分析。經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展，學(xué)者先后開發(fā)出 SIMM、AnyBody、OpenSim 等人體運(yùn)動(dòng)仿真分析軟件。這夠模擬人體運(yùn)動(dòng)并顯示肌肉相關(guān)參數(shù)的變化情況，但在實(shí)際研究中需要充件的接口及所建立的運(yùn)動(dòng)力學(xué)肌骨模型的性能問(wèn)題。) SIMM互式肌肉骨骼建模軟件(Software for Interactive Musculoskeletel Modelin)，是美國(guó) Delp 和 Loan 教授在 20 世紀(jì)末研發(fā)的世界第一款人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)仿件[21]，如圖 1-2 所示。SIMM 能夠建立多種人體結(jié)構(gòu)模型，如肌肉、肌腱、帶等，并可以進(jìn)行模型運(yùn)動(dòng)仿真分析。但是該軟件主要用于商業(yè)研究，價(jià)因此并沒(méi)有得到廣泛的使用。

圖 1-1 上肢肌肉骨骼模型[20]體解剖學(xué)技術(shù)及計(jì)算機(jī)建模技術(shù)的快速發(fā)展，專家們開始研肌肉骨骼建立模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)力學(xué)仿真分析。經(jīng)過(guò)多年的研先后開發(fā)出 SIMM、AnyBody、OpenSim 等人體運(yùn)動(dòng)仿真分?jǐn)M人體運(yùn)動(dòng)并顯示肌肉相關(guān)參數(shù)的變化情況，但在實(shí)際研究接口及所建立的運(yùn)動(dòng)力學(xué)肌骨模型的性能問(wèn)題。M肌肉骨骼建模軟件(Software for Interactive Musculoskelete美國(guó) Delp 和 Loan 教授在 20 世紀(jì)末研發(fā)的世界第一款人體，如圖 1-2 所示。SIMM 能夠建立多種人體結(jié)構(gòu)模型，如肌，并可以進(jìn)行模型運(yùn)動(dòng)仿真分析。但是該軟件主要用于商業(yè)并沒(méi)有得到廣泛的使用。

燕山大學(xué)工程碩士學(xué)位論文可以通過(guò)導(dǎo)入完整的人體肌骨模型，用于產(chǎn)品工效設(shè)計(jì)，并提供運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)軟件獲得的肌力及關(guān)節(jié)作用等直接作用于外界設(shè)備。但其對(duì)肌肉模擬不夠價(jià)格也同樣較高。軟件界面如圖 1-3 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2797669