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上肢运动优化原则的实验研究

吴宏伟  王士敏  
【摘要】:由于上肢的运动学冗余性,即,当手端和肩端位置确定时,上臂和前臂的姿态仍然可以变化,以及肌肉力冗余性,即,手臂动作可以由不同的肌肉群驱动来完成,因此,手臂的动作遵循着一定的优化原则。如前人提出的手端最小抖动原则、最小力矩改变原则、最小能量消耗原则等。为了验证这些原则,我们把上肢的肌肉骨骼模型抽象为具有7个自由度的多刚体系统。上肢由上臂、前臂和手三个部分组成,分别由肩、肘、腕3个关节联系在一起。其中,即肩关节有3个转动,分别是收展、屈曲自转;肘关节有2个转动,屈伸和自转;而腕关节有收展和屈伸2个转动。将肌肉力向关节处简化,形成关节力矩。然后根据解剖统计数据建立了上肢的动力学模型,可以由给定的上肢运动数据反解出关节力矩以及肌肉的收缩量。在实验研究部分,当受试者完成日常的抓握、移动动作时,通过三轴姿态传感器测量受试者手臂运动时的姿态变化历程。将测得的实验数据代入手臂动力学模型,反演出关节力矩以及肌肉收缩变化规律,并与已有的手臂运动优化原则进行了比较。得到了真实手臂运动与上述三项优化原则的符合程度。

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