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申请/专利权人：北京工业大学

摘要：本发明涉及一种基于解剖学和生物力学机理的踝关节三自由度主动施加力矩估计方法，通过腿部四条肌肉比目鱼肌、胫骨前肌、内侧腓肠肌和外侧腓肠肌的表面肌肉电信号sEMG估计踝关节三自由度的主动施加力矩。本发明首先通过测量人体踝关节体格参数，得到参数辨识‑校准策略的初始参数；然后，通过预实验得到踝关节动态肌肉‑骨骼解耦模型中的参数；通过sEMG‑力模型获得四条肌肉的肌肉力；最后，通过踝关节动态肌肉‑骨骼解耦模型得到踝关节主动施加力矩。本发明通过踝关节的解剖学机理建立了动态肌肉‑骨骼解耦模型，实现将肌肉力与关节力矩之间的映射。同时少量的数据即可以通过参数辨识‑校准策略来实现未知解剖学参数的获得。

主权项：1.一种基于解剖学和生物力学机理的踝关节三自由度主动施加力矩估计方法，其特征在于由三部分组成：参数识别-校准策略、sEMG-力模型、踝关节动态肌肉-骨骼解耦模型；参数辨识-校准策略用于通过个体体格参数得到sEMG-力模型和踝关节动态肌肉-骨骼解耦模型中的未知参数；sEMG-力模型用于计算单条肌肉的肌肉力；踝关节动态肌肉-骨骼解耦模型用于结合解剖学信息将肌肉力转化为关节力矩，也就是主动施加力矩，1.参数识别-校准策略；由于不同受试者的踝关节动态肌肉-骨骼解耦模型中的参数Θ即腿长、外踝高度、膝盖周长和脚踝周长是特异性的，因此在力矩估计之前需要进行识别和校准；定义了如公式1所示的目标函数，并通过最小化目标函数来获得最优参数Θ； 其中，Tqext是估计的主动施加力矩，Tqm是测量的实际主动力矩，是需要识别和校准的参数矩阵；该矩阵由以下变量组成，分别是腿长即胫骨点到腓骨踝点的垂直距离，外踝高度即从踝关节点到地面的垂直距离，膝盖周长即通过髌骨中点的膝盖水平周长和脚踝周长即踝关节腓骨点上方最薄点处的水平周长，单位为米；通过引入二阶海森近似矩阵，来实现其迭代过程如公式2所示 其中，Θk表示第k次迭代周期下的参数Θ，表示梯度符号；记为Hk，其表示第k次迭代下的二阶海森矩阵；记为gk，其表示第k次迭代下的梯度矩阵；则，通过泰勒展开可得海森矩阵的近似求解： 其中，为简化表述，设所以pk＝Hk+1qk；2.sEMG-力模型；sEMG-力模型用来将预处理后的sEMG信号转化为肌肉力；首先通过公式4计算肌肉激活程度at； 其中，ut＝αet-d-β1ut-1-β2ut-2表示神经激活信号，et表示预处理后的sEMG信号，d表示肌电延迟系数，α、β1和β2表示比例系数,取值范围在0-1之间，其物理意义为前一时刻对后一时刻产生的耦合效应；A表示非线性系数,取值范围在0-3之间；通过公式5计算肌肉受到激活信号所产生的肌肉力； 其中，表示归一化肌肉力，l表示肌肉长度，表示归一化肌肉长度，v表示肌肉收缩速度，表示归一化肌肉收缩速度； 表示归一化的力-肌肉纤维长度之间的关系，即不同肌肉纤维长度下的肌肉力； 公式6表示归一化的力-肌肉收缩速度之间的关系，即不同肌肉收缩速度下的肌肉力；3.踝关节动态肌肉-骨骼解耦模型将踝关节的运动近似为封闭流形的旋转，从而通过肌肉附着点的和封闭流形之间的几何关系求解出肌肉的长度、肌肉收缩速度和肌肉相对于旋转中心的距离；结合解剖学特征和运动学特征，将踝关节的三自由度运动转变为封闭流形的三自由度运动，将踝关节旋转转换为球副；封闭流形的参数和肌肉附着点的位置将会被参数辨识策略进行；所以，通过该模型将肌肉力FCE转换为关节力矩Tqext；x,y,z表示基于坐标系O-XYZ下的坐标；Γtop和Γbtm分别表示由远端和近端肌肉附着点的包络形成的闭合椭圆流形；其中其中，at和bt分别表示Γtop的长轴和短轴；ab和bb分别表示Γbtm的长轴和短轴；此外，lt和lb分别表示由包络形成的Γtop和Γbtm到旋转中心O的距离；Tm和Bm分别表示肌肉的远端和近端肌肉附着点矩阵，如公式6和7所示；TSO,TTA,TMG,和TLG分别表示肌肉比目鱼肌SO、胫骨前肌TA、内侧腓肠肌MG和外侧腓肠肌LG的远端附着点；BSO,BTA,BMG,和BLG分别表示肌肉SO、TA、MG和LG的近端附着点； 其中，坐标的上标表示的是肌肉附着点的位置，b表示的是附着在Γbtm上的点，t表示的是附着在Γtop上的点；坐标的下标表示的是肌肉名称；表示的是比目鱼肌附着在Γbtm上的点的x坐标；表示的是胫骨前肌附着在Γbtm上的点的x坐标；表示的是内侧腓肠肌附着在Γbtm上的点的x坐标；表示的是外侧腓肠肌附着在Γbtm上的点的x坐标；表示的是比目鱼肌附着在Γtop上的点的y坐标；表示的是胫骨前肌附着在Γtop上的点的y坐标；表示的是内侧腓肠肌附着在Γtop上的点的y坐标；表示的是外侧腓肠肌附着在Γtop上的点的y坐标；lm表示一条穿过肌肉腹部中线并与Tm和Bm相交的直线，其参数表达式如公式9所示； 因为踝关节具有三个自由度；故Γtop的位姿保持固定，而Γbtm的位姿允许3维即3自由度旋转，旋转后的近端肌肉附着点封闭流形为Γ′btm；旋转矩阵RΦ用于计算肌肉附着点Bm在三维空间中旋转后B′m的坐标；其中，Φ表示Γbtm的空间位姿，Φ＝θx,θy,θz；计算过程如公式10所示；B′m＝Bm×RΦ10其中，其中，其中，s·表示sin·，c·表示cos·；肌肉相对于旋转中心O的力矩臂r通过公式11的计算得到； 其中，xt,yt,lt和xb,yb,lb分别表示在Γtop和Γbtm处的肌肉附着点的坐标；|·|表示一阶范数；肌肉相对于踝关节旋转中心施加的扭矩Tqext通过公式12计算得到； 其中，rm为力臂矩阵，rSO,rTA,rMG,和rLG分别表示肌肉比目鱼肌、胫骨前肌、内侧腓肠肌和外侧腓肠肌相对于踝关节旋转中心的力臂，FSO,FTA,FMG,和FLG分别表示肌肉比目鱼肌、胫骨前肌、内侧腓肠肌和外侧腓肠肌的肌肉力。

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