耦合神经肌肉骨骼-外骨骼系统的综合动态仿真框架

耦合神经肌肉骨骼-外骨骼系统的建模与仿真在人类生物力学分析以及外骨骼设计与控制中具有关键作用。然而，传统动态仿真框架存在局限，因其依赖实验数据且无法捕捉全面的生物力学信号与动态响应。为应对这些挑战，我们引入一种基于优化的动态仿真框架，其集成了完整的神经肌肉骨骼反馈回路、刚体动力学、人-外骨骼交互及足-地接触。无需依赖实验测量或经验数据，我们的框架采用逐步优化过程来确定肌肉反射参数，并考量多维准则。这使得框架能生成全套运动学与生物力学信号，包括肌肉激活、肌肉力、关节力矩等，这些通常难以通过实验测量。为验证框架有效性，我们将仿真结果与被试健康受试者在穿戴外骨骼以不同速度（0.9、1.0与1.1 m/s）及地形（平地与上坡）行走时获得的实验数据进行比较。结果表明，我们的框架能有效且准确地捕捉与不同功能相关的肌肉活动定性差异，以及不同行走条件下肌肉活动与运动学信号的演化模式。我们提出的仿真框架有潜力促进耦合人-外骨骼系统的步态分析与性能评估，并实现新颖外骨骼设计与控制策略的高效、低成本测试。