基于鍵合圖與 Hill 型肌肉模型的三連桿生理運動控制系統分析:融合仿真與肌肉行為的坐立 - 站立動作機制研究

《Biological Cybernetics》:Bond graph analysis of a three-link physiological motor control system: integrating simulation and muscle behavior

【字體: 時間:2025年05月18日 來源:Biological Cybernetics 1.7

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  坐立 - 站立動作涉及復雜生物力學交互,傳統模型難體現肌肉作用。研究采用鍵合圖建模與 Hill 型肌肉模型,針對矢狀面髖、膝、踝關節,構建含生理系統與模擬中樞神經系統(CNS)虛擬系統的雙 PID 控制器模型,發現肌肉引入提升扭矩,為輔助器械與康復提供新模型。

  
理解從坐姿站立的過程需要解析復雜的生物力學相互作用。傳統生物力學模型聚焦基礎運動,往往難以捕捉肌肉的復雜作用。本研究改進現有模型,著重探討肌肉對坐立 - 站立(sit-to-stand)運動的貢獻,特別針對矢狀面的髖關節、膝關節和踝關節(ankle)展開研究。研究中運用鍵合圖建模(Bond graph modelling)和 Hill 型肌肉模型(Hill-type muscle models),以生成更貼近真實的坐立 - 站立動作表征。
此項工作強調采用替代 Hill 型模型,助力更全面地理解肌肉力學。完整的鍵合圖模型結合 PID 控制器(Proportional-Integral-Derivative controllers)分為兩個子系統:一個是代表生理框架的實際系統,另一個是模擬中樞神經系統(Central Nervous System, CNS)行為的虛擬系統。研究觀察到,與早期研究相比,系統中納入肌肉可實現更高的扭矩結果。
該研究通過提供更真實的人體運動模型,為開發更優的輔助裝置和康復計劃增添助力?傊,本工作引入一種改進的生物力學建模方法,可增進對坐立 - 站立動作的理解,對現有模型提出質疑并建議更全面的技術,為生物力學和康復研究帶來新選擇。

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