人体数字模型因具有较高的灵活性以及可重复性被广泛应用于生物医学工程、交通安全、体育运动以及其他人体活动领域的生物力学研究。目前建立的人体有限元模型大多基于动物实验获取软组织的材料参数,且较少在有限元模型中考虑肌肉的主动控制策略。本文以团队前述研究所建立的人体下肢3D主动肌肉模型为基础,目的在于进一步提升模型的生物逼真度,同时,耦合相应的肌肉控制策略,建立可监测运动状态下组织应力的下肢生物力学模型,主要研究成果如下:1、以动物骨骼肌和人体下肢骨骼肌为实验样本,针对应变率以及骨骼肌纤维方向两个参数进行单轴压缩实验,研究实验参数变化对骨骼肌被动压缩力学响应的影响规律。实验结果表明:动物骨骼肌的力学响应与人体骨骼肌存在较大差异,应变率对骨骼肌力学特性影响显著,其应力随应变率的增大而增大;骨骼肌纤维方向对力学特性的影响也很显著,90度纤维方向的压缩应力明显大于0度纤维方向。2、建立与实验工况相同的骨骼肌有限元模型进行数值模拟,研究三种不同材料本构(三阶QLV模型、二阶Ogden模型、一阶Ogden耦合三阶QLV模型)的力学特性,基于逆向有限元方法,通过参数反求与优化,拟合骨骼肌压缩实验曲线,确定骨骼肌的最优材料本构模型及其材料参数。仿真结果表明:一阶Ogden耦合三阶QLV材料本构模型能够较好的表征骨骼肌的被动力学特性,实验结果与仿真结果具有较高的一致性。3、基于已获得的材料参数,更新下肢有限元模型中软组织的相关参数,同时,耦合三种不同的肌肉力控制方法(CMC、PID、CMC耦合PID),建立主动肌肉力可控的下肢有限元模型,研究不同控制方法下肢运动学的差异性,结合实验数据,验证模型的有效性。仿真结果表明:采用CMC耦合PID的控制方法,能够较好的拟合实验数据,可以实现主动肌肉力控制。本研究基于课题组已有的人体3D主动肌肉下肢模型,通过骨骼肌材料特性实验及参数反求优化进一步提升了模型的生物逼真度,同时,通过对比分析并建立新的肌肉控制策略,耦合于下肢有限元模型中,实现了有效的运动控制与动态加载下的应力监测。该集成肌肉控制策略的新模型将为人体下肢损伤分析、辅助装备设计等奠定理论与模型基础。