基于人体生物力学分析的下肢外骨骼优化设计及其肌肉骨骼耦合模型研究

本文提出一种基于AnyBody生物力学仿真软件的下肢被动外骨骼优化设计方法，通过建立人机耦合模型进行逆动力学仿真，分析不同扭转弹簧刚度对人体膝关节力、代谢率及肌肉激活度的影响。研究发现当膝关节模块扭转刚度为75 Nm/rad时辅助效果最优，表面肌电实验与仿真数据相关系数达0.976（P<0.05），为外骨骼产品的低成本快速研发提供了新思路。

　　

Highlight

本实验聚焦人体下肢下蹲运动，招募一名健康男性参与者。通过三维运动捕捉系统和测力台测量分析受试者下蹲过程中的下肢运动学数据，将采集的运动数据以C3D格式导出并导入AnyBody建模系统进行仿真，获得穿戴外骨骼前后的生物力学指标，用于评估外骨骼对膝关节负荷及肌肉活动的影响。

Comparison of surface EMG experimental and simulation results

将表面肌电实验中获得的健康男性各肌肉（股外侧肌、股内侧肌、股二头肌、半腱肌、臀大肌、比目鱼肌）表面肌电信号代入公式(1)、(2)计算得到各肌肉激活程度，并与AnyBody仿真获得的肌肉激活程度进行对比。如图5所示，实验与仿真获得的肌肉激活曲线趋势高度一致，各肌肉仿真数据与实验数据的相关系数均高于0.976（P<0.05），表明仿真模型能有效反映实际肌肉活动状态。

Discussion and conclusions

本文通过AnyBody建立人机耦合的肌肉骨骼-外骨骼模型，采用逆向动力学仿真分析不同弹簧刚度外骨骼在下蹲过程中对人体关节和肌肉的影响，系统研究了膝关节受力、代谢率及肌肉激活数据。当前研究多局限于外骨骼机械性能分析，而本研究通过生物力学仿真实现了对外骨骼辅助效能的量化评估，为被动外骨骼的研发提供了以关节力与代谢率优化为目标的研究范式。