[发明专利]考虑形态变化的肌肉时变力学建模方法、装置、电子设备

说明书

本申请公开了一种考虑形态变化的肌肉时变力学建模方法、装置、电子设备，所述方法包括步骤：肌肉主动张力建模、肌肉被动张力建模、肌肉弹性模量拟合、弹性组织建模。本申请基于骨骼肌生理结构特点，提出包含中央肌肉纤维主动收缩内芯、被动弹性外膜结构以及两端设置弹性组织结构的肌肉模型，并在此基础上开展主动张力和被动张力建模、肌肉变弹性模量拟合、弹性组织建模以及考虑肌肉形态变化的串联模型建立。本申请以主、被动张力为切入点，完成了对肌肉时变力学模型的建立，揭示了肌肉作动过程中的力学现象及特点，并以骨骼肌结构特点作为建模基础，对于单束肌肉以及肌节都有较好的适用性，对于实现力学性质与外观轮廓的拟真具有良好的通用性。

技术领域

本申请涉及环卫设备技术领域，特别地，涉及一种考虑形态变化的肌肉时变力学建模方法、装置、设备及介质。

背景技术

肌肉作动的核心问题是需要建立肌长-肌张力之间的关系。从生理学上，肌张力可分为被动张力和主动张力两种。肌肉收缩前所具有的张力成为被动张力，当肌肉被牵拉时，会增加舒张状态肌纤维的被动张力，这是由于肌连蛋白被拉，肌纤维逐渐伸长，并不是由横桥的主动移动造成的。如果将肌纤维两端固定并对肌纤维施加刺激，此时肌纤维收缩产生的力，成为主动张力。主动张力是在横桥与肌动蛋白的主动作用下产生的。肌肉收缩及主动张力来源于横桥的往复摆动，受到沿着肌膜传导的动作电位控制，在任意长度下取决于生物的主动控制，因此主动力的测量体现为肌肉主动力当前长度的主动力最大值。

肌肉建模分为实验方法、理论模型两类。在实验方法中，尽管肌肉研究开展了相当长的时间，但活体肌肉力依旧难以测量，通常的实验方法为解剖肌肉并外加刺激电信号。测量结构显示出肌肉力分为主动力与被动力，主动力显示出在肌肉静息状态下最大，随着长度增加或减小，肌肉力出现下降。当肌肉长度大于静息长度时，肌肉自身在拉伸方向上表现出抗拉弹性，而长度小于静息长度时，则不表现抗拉弹性，即没有被动力体现。

当前，肌肉力学建模是研究的前沿领域，对人体运动机理揭示及软体机械臂设计制造具有指导作用。现有的建模方法从张力-长度关系以及外轮廓两个角度进行建模：

1)纯长度-张力关系。Huxley和Hill模型以弹簧为假设对象，并未针对肌肉在受压收缩时提供的张力大小几乎为零进行阐释，与此同时，这些模型仅限于一维，这些关于力大小的测量研究几乎没有对肌肉形状尤其是径向上的轮廓进行描述。

2)绳索建模方法。将肌肉建模为数条拉索，还原了肌肉主要作动机理为拉动骨骼这一特性，但是与纯长度-张力模型一样，该方法不考虑肌肉体积及外观轮廓，同时，不能区分出肌肉发力时主被动力的关系。

3)外观描述的建模方法。以关键球节点作为研究对象，并考虑肌肉具有的一部分弹性性质，可以对肌肉的样貌以及在关节变化过程中肌肉间相互关系进行模拟，然而，这种建模方法仅仅作为一种后处理展示，并没有涉及到运动过程中肌肉的力学特性，无法给出力的大小及主被动力的大小。

发明内容

本申请实施例一方面提供了一种考虑形态变化的肌肉时变力学建模方法，以解决现有建模方法所得的模型的适用性差、精确度不够、扩展性差的技术问题。

本申请采用的技术方案如下：

一种考虑形态变化的肌肉时变力学建模方法，其特征在于，包括步骤：

肌肉主动张力建模：在模型中心设置中央肌肉纤维主动收缩内芯，其具有肌肉主动收缩的能力以及具有恒体积假设的性质；在所述中央肌肉纤维主动收缩内芯外围设置被动弹性外膜结构，其长度随动用以表征肌肉具有的弹性性质，根据主动张力与肌肉长度的关系采用分段线性拟合或采用指定函数拟合得到不同伸缩率下的主动张力；

肌肉被动张力建模：根据肌肉主动张力建模时所得模型在伸缩/拉伸前后的长度、半径、被动弹性外膜结构厚度值计算得到所得模型的被动张力；