人体上肢平面运动的优化原则研究

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人体上肢经过数万年的不断进化，形成了现在的结构形式。上肢是人体运动最灵活的部位，可以根据需要，精确、快速、敏捷、高效地完成各种复杂动作。同时，了解人体上肢的运动行为及其神经控制机理对仿生机器人、机械臂、神经义肢等研究领域具有重要的指导意义。单纯从力学角度来看，上肢骨骼系统是在冗余的肌肉力作用下完成动作的，同时，对于给定的手端位置，上肢仍可以有不同的姿态。因此，当上肢手端作点到点运动时，手端的运动轨迹、沿轨迹运动的时间历程以及肌肉力的作用过程等，均不是唯一的。手端轨迹既可以为直线，也可以为其它形式的曲线；运动速度也有多种形式，可以快速运动，也可慢速移动。然而从实验和行为学表现表明，人手做上述运动时，手端运动轨迹多为一条光滑的近似直线，且其速度曲线为一光滑的单峰钟形曲线。这两个运动特征并存，不因运动时间和手端负载的变化而改变。这些独特的运动特征引起了学者们的广泛关注。因此，当人体手端作点到点运动时，神经中枢系统遵循怎样的控制机理，从而使上肢的运动表现为上述特定的形式，一直是许多学者的研究兴趣所在，也是人体肢体运动研究中的热点和难点。本文共分为5章，其各章内容分述如下：第一章综述了人体上肢运动及控制机理的研究进展，介绍了本文的研究目的、意义及主要内容。第二章介绍了一些与本论文相关的基本知识、基本概念和基本理论。首先简要给出了人体理论分析的特点，其次，介绍了人体上肢建模的方法和人体肌肉的特征，然后又介绍了几个已有的经典的人体上肢平面优化运动的原则，最后介绍了最优控制理论的一些基础知识和基本概念。第三章主要研究了手端无约束条件下，多关节人体手端点到点运动优化轨迹的预测。首先建立了多关节人体上肢平面运动的动力学模型，将优化轨迹的预测视为最优控制题目，根据最小功准则提出优化目标函数，将上肢点到点运动的优化轨迹求解题目转化为两点边值题目，设计了寻优的迭代算法，求得了上肢运动的优化轨迹与相应的速度变化曲线。数值仿真结果表明了该方法的有效性。第四章，考虑肢体肌肉的生理特征和肌肉收缩的动力学行为，利用肌肉等长收缩的最小功准则研究了人体手端点到点运动的优化轨迹生成与控制题目。首先讨论了肌肉收缩的动力学特性，建立了水平面内上肢运动的动力学模型，提出将肌肉等长收缩的最小功准则作为优化的目标函数，运用最优控制理论将手端点到点的运动题目转化为最优控制题目，设计了求解手端运动优化轨迹的迭代算法，得到了手端运动的控制规律和优化轨迹。算例仿真表明了该方法对手端运动优化轨迹预测的有效性。在本章末尾，将仿真结果与第三章中的仿真结果做了比较和分析。第五章主要考虑控制上肢运动的神经信号在传输过程中受到噪声的干扰这一生理特征，研究了人体前臂优化运动的轨迹生成与控制题目。文中，设噪声具有零均值、方差与神经信号成比例等特征。首先根据肌肉力矩与神经信号间的关系建立了前臂运动的动力学模型，后将系统的动力学方程转化为离散的形式表示，利用离散线性二次规划算法，将最小方差理论的优化目标用离散线性二次规划算法表示，计算了人体前臂运动的优化轨迹和速度曲线。仿真结果与前臂优化运动特征相符，这表明了该方法的有效性。

人体上肢平面运动的优化原则研究

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