上肢关节运动控制机理分析研究

2014-10-24 14:09:48 | 原作者: admin

           神经-肌肉-骨骼系统贯穿了上肢运动的整个流程,包括神经信号产生及传递、肌肉执 行和骨骼运动等一系列有序的时间和空间过程。神经末端的神经元和肌肉纤维建立突触Synapse)连接,肌肉两端的肌腱伸入骨骼,使肌肉牢固附着于骨上。肌肉接受运动神 经信号刺激而发生长度变化,牵引 骨骼产生运动。为了更好理解神经-肌肉 -骨骼三者空间 结构关系和信号传递过程

    神经-肌肉-骨骼系统在物理空间依次有序联接,分析可得神经-肌肉-骨骼系统如下特点:

   (1)肩、肘、腕三个关节的每个自由度运动都需要数目众多的神经,肌肉和骨骼共同参与完成;

   (2)单根神经可以控制多块肌肉, 同一块肌肉也受多根神经控制, 神经和肌肉不存在“一 对一”映射关系; 

   (3)单块肌肉一般连接不同骨骼, 同一骨骼由多块肌肉同时收缩或扩张产生围绕关节运动。 

    由于不同关节结构差异和动作类型不同, 关节单个自由度的运动需要 1~3 根神经, 1~5 块肌肉和 2~3 根骨骼共同参与完成,其运动控制变量已经远远超出动作目标所需,导致上 肢生理运动系统表现出高度冗余性。本文以上肢日常生活基本动作,喝水动作为例说明上肢生理运动系统的冗余性,主要体现在以下三个方面: 

   (1)工作空间的冗余性。 工作空间的冗余性表现为上肢末端,也即水杯轨迹的不唯一性。如下图所示,对于给定的水杯初始位置(桌面)和末端位置(嘴部),水杯的空间运动轨迹有多种可能。 


   (2)关节空间的冗余性。 关节空间的冗余性是指对于固定的水杯空间姿态, 人体上肢存在不同的关节角度组合 以保持这一姿态,属于具有冗余自由度的多关节逆运动学问题。 

   (3)肌肉空间的冗余性 肌肉空间的冗余性原因在于骨骼与数目众多的肌肉、韧带等软组织相连,是指关节运 动轨迹确定后,每块肌肉作用在关节上的力 /力矩不能唯一确定,即使只有一对主动肌和 拮抗肌作用于关节,其收缩和扩张组合也非常多。 

    从上述分析可知,整个神经-肌肉 -骨骼系统具有非常复杂的冗余度问题,但是人体对 上肢运动的控制却丝毫不费力,各个关节有条不紊相互配合演绎优美流畅的动作。整个运 动过程表现出了极高的灵活性、自适应能力和实时性,即使现代最先进的机械系统也无法比拟。上肢生理运动系统如何控制数目如此庞大的神经、肌肉和骨骼准确、快速地完成各类 功能动作,现有研究主要从两个方面着手:(1)基因遗传等生理角度;(2)人体行为科学 角度。目前普遍接受的运动控制机理是:人体中枢神经系统利用生理结构的协同作用,将 冗余问题转换为肌肉和骨骼的协同组合指令,这些协同组合按照时序同时或依次对多块肌 肉或骨骼起作用,如此大大减少了运动控制变量,得以在低维度进行运动控制 [104-106]。本 研究属于工程领域,将主要从人体行为科学角度分析上肢生理运动控制系统,通过分析关 节运动学,从关节协同的角度在低维度上描述上肢行为模式,更为形象地定量化描述上肢生理运动控制系统。

    (严华)

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