基于分子馬達的骨骼肌生物力學原理及其在外骨骼機器人人機力交互中應用.pdf

1、外骨骼機器人是一種穿戴式具有防護、助力和助行等功能的機器人，在軍事、康復醫(yī)療等領域有著巨大的應用價值和廣闊的市場前景，也是國內(nèi)外競相研究的熱點。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對生活質量和生命健康更加關注和重視。與此同時，人口老齡化及肢殘人的增加也帶來了重大社會問題，對智能型外骨骼康復機器人有著廣泛需求。但是，由于存在可穿戴性、高可靠性、人機交互、智能控制等技術難點，真正走向臨床應用的外骨骼機器人仍不多見，高性能的人機交互接口及交互技術成為

2、制約其應用的瓶頸問題之一，而其中與外骨骼人機力交互技術密切相關的人機力交互機理，特別是骨骼肌收縮生物力學原理非常值得深入探索。
　　本文以實現(xiàn)對人體下肢主動康復訓練為目標，開發(fā)出下肢外骨骼機器人，通過分析骨骼肌中分子馬達的納米力學特性及運行機制，探索骨骼肌生物力學原理，從微觀到宏觀構建基于分子馬達集體運行機制的骨骼肌力學模型，并設計基于EMG信號、接觸力信號的人機交互接口，研究人與外骨骼之間力交互機理，制訂外骨骼機器人控制策略，開

3、展了人機力交互及機器人控制實驗研究。本文的主要工作及取得的成果可以歸納為以下幾點：
　　一、以肌球蛋白分子馬達為對象，分析分子馬達的納米力學特性及運行機制。針對分子馬達的循環(huán)工作過程，探索了分子馬達在van der Waals力、Casimir力、靜電力及布朗力等耦合作用下向肌動蛋白絲接近并結合的運動規(guī)律，建立了分子馬達循環(huán)過程的動力學模型，通過Monte Carlo方法對分子馬達的運動過程模擬發(fā)現(xiàn)，接近過程中當分子馬達與細肌絲表

4、面距離大于3 nm時，起主要作用的力為Casimir力和靜電力；當距離小于3 nm時，van der Waals力和靜電力使分子馬達向細肌絲軌道快速接近，比較這幾個力的影響可知，接近過程中靜電引力占主導，并由此闡明了分子馬達開始運行并使肌肉收縮的力學機理，解析了鈣離子在肌肉收縮中的關鍵作用，同時分析了分子馬達所處空間勢場對肌纖維結構穩(wěn)定性的影響。
　　二、通過分析分子馬達集體運行特性，利用非平衡態(tài)統(tǒng)計力學方法從微觀到宏觀構建了新的

5、骨骼肌力學模型。首先研究分子馬達的集體運行機制，為了反映分子馬達一個循環(huán)周期的N個狀態(tài)，構建位移變量概率密度的Fokker-Planck方程，并考慮肌小節(jié)空間結構特征、分子馬達彈性系數(shù)、肌小節(jié)橫截面積等因素，推導出肌小節(jié)主動收縮力學模型，通過計算位移變量的概率密度分布，分析了ATP濃度、負載力對主動收縮力及收縮速度的影響。進一步地，針對骨骼肌激活與收縮過程，建立動作電位頻率與肌小節(jié)收縮力之間穩(wěn)態(tài)關系，考慮肌小節(jié)的串并聯(lián)作用，最終從微觀到

6、宏觀建立基于分子馬達集體運行機制的骨骼肌力學模型。計算表明，隨著動作電位頻率的增加，肌漿中鈣離子濃度先線性上升并逐漸趨于飽和，主動收縮力出現(xiàn)融合并跟隨鈣離子濃度變化趨勢，當動作電位處于最大頻率時肌肉強直收縮，在ATP濃度飽和情況下，肌肉最大等長收縮力主要取決于分子馬達數(shù)目、彈性系數(shù)、肌肉橫截面積等物理參數(shù)，由于動作電位的疊加形成EMG信號，由此為開展EMG信號特征與肌肉力之間聯(lián)系研究奠定了理論基礎。
　　三、針對人體下肢關節(jié)運動范

7、圍大、自由度多、關節(jié)力矩大等運動特征，從仿生學角度設計實現(xiàn)了多功能下肢外骨骼機器人，開發(fā)出并聯(lián)關節(jié)式外骨骼踝關節(jié)。外骨骼機器人系統(tǒng)結構緊湊，膝關節(jié)轉動范圍0~110度、髖關節(jié)-25~55度，能滿足人體步行要求，并聯(lián)踝關節(jié)能實現(xiàn)人體踝關節(jié)背屈/跖屈、內(nèi)翻/外翻兩個自由度運動，外骨骼機器人適合身高在155cm~190cm的人使用，并可主動調整人體重心軌跡使之符合上下波動的特征，系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性。同時開發(fā)了基于EMG信號、力觸覺信號

8、的人機交互接口，包括傳感單元（EMG信號采集儀、交互力傳感器）、數(shù)據(jù)采集及處理單元，重點開展了人與外骨骼之間力交互機理研究，建立了外骨骼機器人的動力學模型，并以人體膝關節(jié)為對象，利用大腿骨胳肌肉系統(tǒng)進行了人體膝關節(jié)正向/逆向動力學建模，構建EMG信號特征頻率與肌肉收縮力、關節(jié)力矩之間函數(shù)關系。
　　四、開展了人機力交互實驗及人機接口在外骨骼機器人主動控制中應用。首先，完善了外骨骼機器人控制系統(tǒng)并制定了滿足不同康復訓練要求的外骨骼控

9、制策略；其次，進行了人機力交互實驗，通過采集大腿肌肉EMG信號、人與外骨骼交互力，利用EMG信號表征肌肉激活程度，根據(jù)肌肉力學模型計算肌肉收縮力和關節(jié)力矩，比較肌肉主動力矩與外骨骼對人的反作用力矩，實驗結果表明兩者之間吻合較好，證明了所構建肌肉力學模型的合理性；最后，根據(jù)外骨骼機器人控制策略，對人體進行了被動與主動訓練，其中被動模式是按照設定的步態(tài)及角度信息完成了對人體下肢訓練，主動模式是結合人機交互接口，采集肌肉的EMG信號，利用肌肉