基于神经网络PID控制在人体头颈部有限元模型中实现肌肉主动控制的理论和方法

Active muscle modeling in finite element human body model has attracted considerable attention during recent years in the field of academic research and the new display technology. Muscles active control model and its coupling with muscle mechanical model on finite element analysis platform are the key issues. This project begins with the dynamics research of human skeletal muscle system as well as influence factors of active muscle force, and the dynamics of sensory systems available for the CNS to use in motor control process are modeled with a transfer function, then develop an innovation active muscle control model based on neural network PID closed-loop controller. The coupling of control technology and muscle mechanical model further improves the bio-fidelity of finite element human body model. Finally The new developed finite element human body model with active muscle response used to research the human head-neck injury mechanism in vehicle impact, determine the influence of muscle active response on human kinematic response, the research results will provide biological mechanical basis and effective research tools for vehicle safety design, especially the integrated safety system. The study will promote research and application of muscle active control in finite element human body model, and provide relative scientific basis and methods.

肌肉主动力在提高有限元人体模型生物逼真度方面的重要作用使其成为新的研究热点。神经系统对肌肉主动控制模型的建立及其在有限元研究平台与肌肉力学模型的有机耦合是关键。本项目从人体骨骼肌系统复杂的动力学特性以及对肌肉主动力影响因素的挖掘出发，工作重点围绕解决人体有限元模型肌肉主动控制模拟的关键科学问题，将中枢神经系统进行运动控制过程中感觉系统的动态特性用传递函数模拟，开发得到自主创新的基于神经网络PID闭环控制的肌肉主动控制模型，通过控制技术与力学模型的有机耦合，进一步提高人体有限元模型的生物逼真度。并以实现主动力模拟的模型为工具，研究汽车碰撞过程中人体头颈部损伤机理，明确肌肉的主动反应对人体响应的影响，为汽车安全设计，特别是主、被动相结合的安全系统奠定生物力学基础和提供有效的研究方法与工具。该研究将促进肌肉主动控制在人体有限元模型中的应用基础研究，并提供相关的科学依据和方法。

肌肉主动力作用的缺失，制约着人体损伤机理被完全重现和认知，建立肌肉主动力数学模型，以获得生物逼真度高的仿真结果，评估主动安全系统的功效，具有重要的意义。本研究深入研究人体骨骼肌系统的动力学特性及神经肌肉控制生物力学，揭示肌肉力产生过程的机理和重要影响因素，并据此建立模拟中枢神经系统进行运动控制的传递函数，进而闭环控制模型实现肌肉主动控制的模拟。利用MATLAB的Simulink 和SimMechanic模块开发了动作保持和控制试验平台，进行运动控制仿真分析，对控制模型的效果进行了评估。并通过LS-DYNA关键字编程，完成闭环控制子程序，在有限元研究平台上将控制模型与肌肉力学模型有机结合，实现肌肉主动控制模型与原有人体头颈部有限元模型的整合，提高了有限元模型的生物逼真度。通过事故重建和损伤重建，利用含肌肉主动控制功能的人体头颈部有限元模型研究了肌肉主动力及相应生物力学参数与汽车碰撞事故中头颈部损伤之间的关系，探讨了激活的颈部肌肉在汽车碰撞事故中对人体头颈部损伤防护的意义，研究结果可以为人体头颈保护措施的研发提供参考并可改善目前的行人头部撞击测试。