基于键合图与 Hill 型肌肉模型的三连杆生理运动控制系统分析:融合仿真与肌肉行为的坐立 - 站立动作机制研究

【字体: 时间:2025年05月18日 来源:Biological Cybernetics 1.7

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  坐立 - 站立动作涉及复杂生物力学交互,传统模型难体现肌肉作用。研究采用键合图建模与 Hill 型肌肉模型,针对矢状面髋、膝、踝关节,构建含生理系统与模拟中枢神经系统(CNS)虚拟系统的双 PID 控制器模型,发现肌肉引入提升扭矩,为辅助器械与康复提供新模型。

  
理解从坐姿站立的过程需要解析复杂的生物力学相互作用。传统生物力学模型聚焦基础运动,往往难以捕捉肌肉的复杂作用。本研究改进现有模型,着重探讨肌肉对坐立 - 站立(sit-to-stand)运动的贡献,特别针对矢状面的髋关节、膝关节和踝关节(ankle)展开研究。研究中运用键合图建模(Bond graph modelling)和 Hill 型肌肉模型(Hill-type muscle models),以生成更贴近真实的坐立 - 站立动作表征。
此项工作强调采用替代 Hill 型模型,助力更全面地理解肌肉力学。完整的键合图模型结合 PID 控制器(Proportional-Integral-Derivative controllers)分为两个子系统:一个是代表生理框架的实际系统,另一个是模拟中枢神经系统(Central Nervous System, CNS)行为的虚拟系统。研究观察到,与早期研究相比,系统中纳入肌肉可实现更高的扭矩结果。
该研究通过提供更真实的人体运动模型,为开发更优的辅助装置和康复计划增添助力。总之,本工作引入一种改进的生物力学建模方法,可增进对坐立 - 站立动作的理解,对现有模型提出质疑并建议更全面的技术,为生物力学和康复研究带来新选择。

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