(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111456321.9 (22)申请日 2021.12.02 (71)申请人 中国人民解 放军军事科学院国防科 技创新研究院 地址 100071 北京市丰台区丰台东大街5 3 号 (72)发明人 黄奕勇　许嘉毅　付康佳　刘红卫　 张翔　熊丹　 (74)专利代理 机构 长沙智嵘专利代理事务所 (普通合伙) 4321 1 代理人 黄海波 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 考虑形态变化的肌肉时变力学建模方法、 装 置、 电子设备 (57)摘要 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。 权利要求书3页 说明书10页 附图5页 CN 114139378 A 2022.03.04 CN 114139378 A 1.一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(2)， 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(2)外 围设置 被动弹性外膜结构(1)， 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(1)厚度值计算得到所 得模型的被动张力； 肌肉弹性模量拟合： 根据被动弹性外膜结构(1)的弹性模量与长度、 当前被动张力的关 系式， 通过多组数据拟合得到被动弹性外膜结构(1)的弹性模量； 弹性组织建模： 在所述模型的两端设置弹性组织结构(3)， 所述弹性组织结构(3)用以 连接肌肉纤维与骨骼， 体现肌肉纤维两端含有的弹性纤维和无定形基质， 是肌肉纤维组织 外部轴向弹性的主要承担者， 同时， 所述 弹性组织结构(3)还用于承担整体肌肉组织长度固 定后肌肉依旧能够持续收缩的弹性形变。 2.根据权利要求1所述的考虑形态变化的肌肉时变力学建模方法， 其特征在于， 所述根 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(1)厚 度值计算得到所 得模型的被动张力具体包括 步骤： 假设肌肉纤维组织原长为l0， 半径为r0， 被动弹性外膜结构厚度为h0， 在肌肉伸缩/拉伸 后肌肉纤维组织长度为lt， 半径为rt， 被动弹性外膜结构厚度为ht， 则被动弹性外膜结构(1) 体积Vc与中央肌肉纤维主动收缩内芯(2)体积Vs分别为： 其中： 计算伸长状态下被动弹性外膜结构(1)横截面积Scht为 Scht＝ πht(ht+2rt) 因此被动张力Fs可以表示 为： 3.根据权利要求1所述的考虑形态变化的肌肉时变力学建模方法， 其特征在于， 所述根 据被动弹性外膜结构(1)的弹性模量与长度、 当前被动张力的关系式， 通过多组数据拟合得 到被动弹性外膜结构(1)的弹性模量具体包括 步骤： 假设弹性模量是关于 长度以及当前被动力的二次函数， 因此弹性模量可描述 为： Et＝f(FN, ε )＝aFN2+b ε2+cFNε+dFN+e ε； 其中Et为任意时刻t的弹性模量， N为数据组数， FN为当前最大合力值， ε为应变， a、 b、 c、权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114139378 A 2d、 e为待拟合系数； 选取N组数据(FN, ε )， 对变弹性模量进行系数拟合， 其中N≥5 。 4.根据权利要求3所述的考虑形态变化的肌肉时变力学建模方法， 其特 征在于， 拟合时， 考虑到被动力大小的平方与应变的平方在数量级上差异大， 将拟合量进行相 应放大或缩小以保证 每一项在数量级上的一 致性， 从而提高拟合精度减小拟合 误差。 5.根据权利要求4所述的考虑形态变化的肌肉时变力学建模方法， 其特征在于， 所述弹 性组织结构(3)作为单一材 料进行假设， 其张力与应 变的关系为： 其中， F为张力大小， E为弹性组织结构(3)的弹性模量， lt为拉伸后长度， l0为原长， St为 弹性组织结构(3)横截面积。 6.根据权利要求1所述的考虑形态变化的肌肉时变力学建模方法， 其特征在于， 还包括 步骤： 考虑肌肉形态变化的串联模型的建立： 将前述步骤所建的肌肉模型(4)进行串联， 对变 截面肌肉形貌进行模拟， 通过对每一串联段进行主、 被动张力的计算， 即可得到任意 发力状 态下的肌肉轮廓及长度变化。 7.根据权利要求6所述的考虑形态变化的肌肉时变力学建模方法， 其特 征在于， 将前述步骤所建的肌肉模型(4)进行串联， 对变截面肌肉形貌进行模拟， 通过对每一串 联段进行主、 被动张力的计算， 即可得到任意 发力状态下的肌肉轮廓及长度变化， 具体包括 步骤： 对于每一段肌肉模型(4)， 由于向外输出合力一致， 长度变化量一致， 该段肌肉模型(4) 的合力为F(i)＝Factive(i)+Fpassive(i)， Factive(i)为第i段肌肉模型(4)的主动张力， Fpassive (i)为第i段肌肉模型(4)的被动张力， 因此： 式中， Scht为被动弹性外膜结构(1)横截面积， E为被动弹性外膜结构(1)的弹性模量， i 为每一段肌肉模型(4)的编号， lt为肌肉模型(4)拉伸后长度， l0为肌肉模型(4)原长 。 8.一种考虑形态变化的肌肉时变力学建模 装置， 其特 征在于， 包括： 肌肉主动张力建模模块， 用于在模型中心设置中央肌肉纤维主动收缩内芯(2)， 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(2) 外围设置被动弹性外膜结构(1)， 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； 肌肉被动张力建模模块， 用于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(1)厚度值计算得到所 得模型的被动张力； 肌肉弹性模量拟合模块， 用于根据被动弹性外膜结构(1)的弹性模量与长度、 当前被动 张力的关系式， 通过多组数据拟合得到被动弹性外膜结构(1)的弹性模量； 弹性组织建模模块， 用于在所述模型的两端设置弹性组织结构(3)， 所述弹性组织结构 (3)用以连接肌肉纤维与骨骼， 体现肌肉纤维两端含有的弹性纤维和无定形基质， 是肌肉纤权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114139378 A 3