人体上肢运动轨道计算的新算法

第２７卷第９期

振动与冲击

ＪＯＵＲＮＡｌ。ＯＦＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＤＳＨＯＣＫ

人体上肢运动轨道计算的新算法

吴炯，王如彬，沈恩华，张志康

（华东理工大学信息科学与工程学院，脑信息处理与认知神经动力学研究中心，上海２００２３７）

摘要：依据文献［６］所提供的在曲柄转动机构中人体手臂运动的实验及其力学模型，研究人体手臂运动的轨道生成问题。为了改进手臂运动轨道的最优化算法中存在较大的误差，利用文献［６］所提供的肌电信号实验数据，构造了一组肌肉力函数，通过力臂矩阵将肌肉力向量映射到关节转矩向量的方法，把得到的仿真结果与实验数据进行对比。结果表明所构造的肌肉力函数可以得到比理论肌肉力条件下给出的手臂运动轨道更为精确的结果。

关键词：曲柄转动机构；人体手臂运动；肌肉力函数；神经机制

中图分类号：０３１３．３文献标识码：Ａ

推门以及转动方向盘和咖啡机等是几种典型的受外部环境约束的人体手臂运动。虽然有关人体手臂运动的研究已经进行了很多年，并提出了很多种理论算法，但是关于人脑如何控制手臂运动的讨论仍然是智能运动控制研究的热点。

人体手臂的动力学特性是由关节转矩决定的，相应地在人体手臂运动中的轨道形成问题可以通过计算关节转矩或者其导数来表示¨Ｊ。然而，由于肌肉群计算的复杂性，人体手臂运动的控制机制不能仅靠这些分析来解释。一种研究该控制机制的有效方法是考察肌肉的机械特性和生理特性，并通过人体手臂轨道的理论来研究每个肌肉群的特性。因此，提出并建立了一个基于最小能量和最小等距转矩导数的最优控制模型【２‘４Ｊ。但是在这些模型中，没有考虑肌肉力的动力学特性以及拮抗肌的作用。于是人们又提出了一个包含了肌肉的动力学特性和肌骨系统机械特性的数学模型，该模型的性能准则由单个肌肉群的收缩力的导数表示‘５１。

为了在曲柄装置中研究手臂运动最优轨道的形成问题，ＫｅｎＯｈｔａ等人提出了一条新准则∞Ｊ，即使手心触点压力变化和关节转矩变化（或肌肉力）均为最小的联合准则。

Ｌ＝声订声‘＋哟÷７÷（１）

，＝ｍ（２）其中’，为评价函数，Ｆ为手心触点压力，丁为关节转矩，∞ｉ为权重系数，积分上限ｒ为运动周期。

经过多次采用不同权重系数值的仿真，结果显示当∞ｉ＝５ｍ也时，能够得到最好的图像结果。然而，这样的结果与实验数据还没有完全一致。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０６７２０５７）

收稿１５１期：２００７—１２—２６

第一作者吴炯男，硕士生，１９８４年１２月生

为此我们在ＫｅｎＯｈｔａ等人的基础上采取了一种更为新颖也更为实际的算法。我们通过对比肌电图数据图像和理论预测的肌肉力图像，发现在ＫｅｎＯｈｔａ等人给出的准则下虽然能得到较好的关节角和关节角速度图像，但是通过该准则预测得到的肌肉力图像与实际肌电图曲线差别较大，这也说明了ＫｅｎＯｈｍ等人的联合准则相比单一准则虽然能取得一定的效果，但是在肌肉力图形上的效果并不理想。于是我们从实际的肌电图实验结果出发，采用近似处理的方法得到一组肌肉力函数，并代入已建立的上肢运动模型，去计算关节角位移和关节角速度，并将其计算结果与实验结果进行对比。

１手臂旋转运动装置及力学模型

我们沿用了ＫｅｎＯｈｔａ等人的曲柄机构转动实验（如图１所示），以便将我们的仿真结果与其实验数据和图像进行比较，凡是与模型有关的初始数据请参阅ＫｅｎＯｈｔａ等人的论文‘６】。

图１曲柄旋转机构的实验装置

由Ｋｅｎ等给出的曲柄转动装置和动力学模型为‘６１

巧＋鼬＝ｒｅ７Ｆ（３）肘（ｇ）；＋ｈ（ｑ，ｊ）＝丁‘一ｌ（ｑ）７Ｆ，（４）

ｒ‘＝ｆ一西奇，

（５）

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